Что будет если замкнуть литий ионный аккумулятор
Кратко о том, как восстановить аккумулятор 18650 после глубокого разряда
В общем, ситуаций может быть только две:
Первая ситуация: потеря емкости
В первом случае у аккумулятора упала емкость и с этим придется смириться. Полное восстановление аккумуляторов после глубокого разряда невозможно (это касается всех Li-ion аккумуляторов: 18650, 14500, 10440, аккумуляторов от мобильников и т.д.). Даже теоретически нельзя вернуть емкость литиевого аккумулятора.
Последние исследования показали, что литиевые аккумуляторы теряют свою емкость даже если вообще не эксплуатируются. Например, во время обычного хранения на складах. По данным исследований, аккумулятор теряет примерно 4-5% емкости в год.
Вторая ситуация: не хочет заряжаться
Обычно эта ситуация возникает, когда какое-либо устройство (телефон, планшет, мп3-плейер) долго лежали без дела с разряженным аккумулятором. Или если литиевые аккумулятор подвергся глубокому охлаждению.
На самом деле, как правило, на самой банке в этот момент напряжение составляет около 2.4-2.8 Вольта.
Все современные модули защиты устроены таким образом, что даже в случае блокировки аккумулятора от дальнейшего разряда, его все-таки можно зарядить. Это происходит благодаря паразитному диоду, встроенному в ключ на полевом транзисторе. Вот типовая схема модуля защиты аккумулятора 18650:
Так как при глубоком разряде закрывается только транзистор FET1, а второй MOSFET при этом остается открытым (пропускает ток в обоих направлениях), то зарядный ток спокойно протекает от плюсовой клеммы батареи через FET2, паразитный диод внутри FET1 к минусовой клемме.
Таким образом, при глубоком разряде плата защиты литий-ионного аккумулятора ни в коей мере не препятствует заряду аккумулятора.
Проблема лишь в том, что некоторые зарядные устройства считают себя слишком умными и когда видят, что на аккумуляторе слишком низкое напряжение (а в нашем случае оно вообще будет равно нулю), они считают, что произошла какая-то недопустимая ситуация и напрочь отказываются выдавать зарядный ток.
О том, как обхитрить зарядку и восстановить работоспособность литиевого аккумулятора после глубокого разряда читайте далее.
Как заставить заряжаться?
По сути, восстановление литий ионных аккумуляторов после глубокого разряда сводится к тому, чтобы вернуть его в штатный режим работы. Надо понимать, что потерю емкости это никоим образом не компенсирует (это невозможно в принципе).
Чтобы все-таки заставить слишком хитрое зарядное устройство заряжать наш сильно севший аккумулятор, необходимо сделать так, чтобы напряжение на нем превысило некий порог. Как правило, достаточно 3.1-3.2 Вольта, чтобы ЗУ посчитало ситуацию штатной и разрешило зарядку.
Поднять напряжение на аккумуляторе можно только с помощью сторонней (более глупой) зарядки. В народе это называется «толкнуть» аккумулятор. Для этого достаточно просто подключить к клеммам аккумулятора внешний блок питания, ограничив при этом максимальный ток.
Для наших целей подойдет любое зарядное устройство для сотового телефона. Чаще всего современные зарядники имеют выход в виде USB-гнезда и, соответственно, выдают 5В. Нам осталось только лишь подобрать резистор, ограничивающий ток заряда.
Тогда разница между напряжением источника питания и напряжением на аккумуляторе будет составлять:
Рассчитаем сопротивление токоограничивающего резистора, чтобы ток заряда не превышал 50 мА (этого вполне достаточно для первоначального заряда и в то же время вполне безопасно):
R = 3В / 0.050А = 60 Ом
Теперь узнаем, какова мощность будет рассеиваться на этом резисторе, в случае внутреннего короткого замыкания аккумулятора (тогда на резисторе будет падать все напряжение блока питания):
P = (5В) 2 / 60 Ом = 0.42 Вт
Подойдет источник питания и на другое напряжение, достаточно будет пересчитать сопротивление и мощность ограничительного резистора. И нужно помнить, что в схемах защиты li-ion, как правило, используются полевые транзисторы с небольшим напряжением сток-исток, поэтому брать блок питания с большим выходным напряжением нежелательно.
Если заряд не идет (резистор не греется, а на аккумуляторе полное напряжение блока питания), то либо схема защиты ушла в совсем глубокую защиту, либо она просто вышла из строя, либо имеет место внутренний обрыв.
Тогда можно попробовать снять наружную полимерную оболочку аккумулятора и подключить нашу импровизированную зарядку напрямую к банке. Плюс к плюсу, минус к минусу. Если и в этом случае заряд не пошел, то аккумулятору кранты. Зато если пошел, то нужно дождаться пока напряжение поднимется до 3+ Вольт и дальше можно заряжать уже как обычно (штатной зарядкой).
Несложный способ восстановления работоспособности Li-Ion аккумуляторов от портативных устройств
Привет всем юзерам хабра, сегодня я буду рассказывать про то, как я довольно таки простым методом, восстанавливаю нерабочие Li-Ion аккумуляторы от портативных устройств до того как обзавёлся таким замечательным устройством как Imax B6. Таким методом я восстановил работоспособность уже, наверное, трем десяткам аккумуляторов от разных гаджетов, от фотоаппаратов до MP3 плееров, но я замечу, только восстановил работоспособность, емкость таким образом вернуть не получится, да и лично я не встречал способов вернуть емкость для такого типа аккумуляторов. К слову, емкость, которая останется в аккумуляторе, очень сильно зависит от того сколько аккумулятор пробыл в такой «клинической смерти».
Скажу сразу, данный метод не претендует на что-то из разряда «Вау, это что-то новенькое» но, тем не менее, не все про него знают. Суть данного метода чтобы «толкнуть» аккумулятор.
Вот видео всего процесса:
(информация что ниже будет дублировать информацию, предоставленную в видео)
Для того чтобы попробовать вернуть в жизнь аккумулятору нам понадобиться:
— Блок питания который выдаёт постоянное напряжение от 5 до 12 Вольт;
— Резистор номиналом от 330 до 1000 Ом, рассчитан на мощность 0.5 Вт, а хорошо бы и по мощнее;
— Вольтметр для того чтобы контролировать напряжение (по желанию).
Как правило, большинство блоков питания от Wi-Fi роутеров, свичей и модемов идут с разъемом 2.5 мм, например такой как на фото:
Почти всегда центральный контакт разъема имеет плюс, а боковой минус, и еще, как правило, полярность изображают на самом корпусе блока питания:
Как видно на фото мой блок выдаёт постоянное напряжение 12 В об этом свидетельствует значок посредине между 12V и 2.0A.
Ток блока питания должен быть выше 0.1 А.
Отключаем блок питания от сети чтобы уберечься от короткого замыкания которое может вывести из строя блок, подключаем так, как показано на рисунке, а именно, плюс 12 В к одному концу резистора, а второй конец резистора к плюсу аккумулятора (как правило у аккумулятора указанная полярность, если нету, то нужно как-то узнать где плюс а где минус), минус блока питания подсоединяем к минусу нерабочего аккумулятора.
Смотрим на напряжение если есть такая возможность, оно должно начать потихоньку расти, как только поднимется до 3.3 В то заряжаем уже посредством самого устройства от которого аккумулятор, после этого обязательно нужно следить за температурой аккумулятора на протяжении всего процесса заряда, пробовать рукой не начинает ли он греется, если аккумулятор начнёт быть более чем тёплым или горячим, немедленно вынимаем аккумулятор из устройства, он восстановлению уже не подлежит.
Если же нету возможности смотреть за напряжением, то делаем такую зарядку минуту или две, и вставляем в наше устройство чтобы посмотреть принимает ли оно аккумулятор или нет.
Давайте рассчитаем ток зарядки аккумулятора по Закону Ома (I = U / R) для случая с 12 В блоком питания:
12 В / 330 Ом = 0,036 А(36мА), то есть ток заряда будет 36 мА или же если взять резистор на 1 КилоОм тогда будет 12 В / 1000 Ом = 0,012А (12 мА).
То есть, при 12 В напряжении источника питания, зарядный ток будет составлять 36 мА, это если использовать резистор на 330 Ом, а если резистор взять резистор на 1 КОм, то ток зарядки будет составлять 12 мА.
Для случая с 5-ти вольтовым блоком питания (как правило, это зарядки для смартфонов):
5 В / 330 Ом = 0,015 А(15 мА), то есть ток заряда будет 15 мА или же если взять резистор на 1 КОм тогда будет 12 В / 1000 Ом = 0,005А (5 мА).
Как видим в этом случае ток зарядки, а соответственно и скорость роста напряжения на аккумуляторе будет ниже, по этому для случая с 5 В блоком питания можно взять резистор от 100 Ом, 5 В / 100 Ом = 0,050 А(50мА).
Не советую злоупотреблять токами зарядки(50 мА более чем достаточно для «толчка» аккумулятора) и завышением напряжения выше 4.2 В, в сети есть достаточно видео с возгоранием литиевых аккумуляторов, например вот:
Так что весь процесс восстановления работоспособности аккумулятора должен, проводится только под наблюдением. Нам главное только вывести аккумулятор из того состояния при котором контроллер, что внутри батареи, отключает аккумулятор от нагрузки.
Почему это работает?
Дело в том, что в аккумуляторах от многих портативных устройств есть контроллер, который следит за напряжением на аккумуляторе, если аккумулятор не использовать или же он долго полежит в разряженном состоянии, то контроллер как бы отключает рубильник, который соединяет аккумулятор от контактных площадок к которым подключается устройство.
Делается это то ли для защиты устройства то ли для того чтобы потребитель через некоторое время покупал новую продукцию.
PS Есть ещё один способ которым я давно пользовался, вместо резистора взять компьютерный вентилятор 80х80 мм, правда минимальное напряжение в таком случае будет от 8 В ну а максимальное 16 В, но способ с резистором более проще, да и не у каждого есть вентилятор.
PPS Как говорят люди в комментариях, риск возгорания восстановленного аккумулятора повышается, особенно в момент первой зарядки, ещё раз акцентирую внимание на этом, следите за температурой на аккумуляторе при первой зарядке.
PPPS Не рекомендую восстанавливать очень старые аккумуляторы, которые пролежали в мёртвом состоянии больше чем пол года, так как у них риск возгорания будет ещё выше.
Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы
Последнее время тема самовозгорания литий-ионных аккумуляторов часто мелькает в заголовках новостей: то смартфон загорится, то ховерборд, а то и автомобиль. Так что же происходит внутри аккумулятора во время термического разгона и почему возникает самовозгорание?
Литий-ионные аккумуляторы состоят из анода и катода, разделённых пористым полимерным сепаратором. Активным материалом катода чаще всего являются оксиды переходных металлов со встроенными в кристалл ионами лития. В аноде обычно используется графит. Электролит, которым залита электрохимическая ячейка, представляет собой органический раствор солей лития. При первой зарядке, производимой фирмой-изготовителем, при встраивании лития в анод на электродах (особенно на аноде) образуется защитный ион-проводящий слой (SEI), состоящий из разложившегося электролита. Этот слой защищает электроды от паразитических реакций с электролитом.
Чаще всего причиной самовозгорания аккумуляторов является короткое замыкание внутри электрохимической ячейки. Электрический контакт между анодом и катодом может возникнуть по многим причинам. Это может быть, например, механическое повреждение ячейки. Ещё внутреннее короткое замыкание возникает из-за нарушения технологии производства при неровной нарезке электродов или попадании металлических частиц между анодом и катодом, что ведёт ко повреждению пористого сепаратора. Также причиной внутреннего короткого замыкания может быть «прорастание» цепочек металлического лития (дендритов) через сепаратор. Такой эффект возникает, если ионы лития не успевают встроиться в кристалл анода при слишком быстрой зарядке или низкой температуре, а также если ёмкость активного материала катода превышает ёмкость анода, в результате чего на поверхности анода появляются микроскопические отложения, которые постепенно растут.
Так как реакции с электролитом экзотермические, температура и давление внутри аккумулятора продолжают повышаться. Когда температура достигает 180-200 °C, материал катода, обычно представляющий из себя оксид переходных металлов со встроенным в кристалл литием, вступает в реакцию диспропорционирования и выделяет кислород. Вот тут-то и происходит самовозгорание и ещё более резкий скачок температуры. Параллельно идёт термическое разложение электролита (200-300 °C), также выделяющее тепло. Выглядит это так:
И, в конце концов, в реакцию с электролитом (если он ещё остался) вступает графит, а когда температура достигает 660 °C, плавится алюминиевый токоприёмник. Выше 900°C температура обычно не поднимается, так как разлагаться уже нечему.
Помимо внутреннего короткого замыкания существуют и другие причины самовозгорания: перегрев аккумулятора, неправильная зарядка/разрядка (превышение максимально допустимого напряжения, зарядка на высоких токах, слишком глубокая разрядка), и т.д. Но все эти причины приводят к одному результату: термическому разгону и разложению электролита при взаимодействии с электродами. Различаются только порядки вышеописанных реакций и их скорость.
Естественно, производители аккумуляторов предусмотрели системы защиты от самовозгорания, и чем больше и мощнее аккумулятор, тем больше степеней защиты он содержит. Одним из видов защиты от небольшого короткого замыкания является пористый сепаратор, который при локальном повышении температуры становится непроницаемым и препятствует, к примеру, дальнейшему росту дендритов внутри аккумулятора. Но иногда температура повышается слишком быстро, и сепаратор просто плавится, в результате чего анод соприкасается с катодом.
Также аккумуляторы оборудованы предохранителями и клапанами, которые при повышении давления и температуры внутри либо отключают электроды от цепи, либо способствуют выходу наружу скопившегося газа. В последнем случае, так как газы легковоспламеняющиеся, при контакте с кислородом снаружи возникает пламя. Пример действия защитных клапанов можно было наблюдать при аварии с участием автомобиля Тесла Model S, где аккумулятор был пробит крупным металлическим предметом. Так как в Тесле клапаны аккумуляторов были направлены вниз на асфальт и отдельные блоки были хорошо изолированы друг от друга, сгорела лишь передняя часть аккумулятора (как сказал Элон Маск, если бы тот же металлический предмет пробил бак с бензином, машины бы сгорела целиком).
Кстати, термическая изоляция отдельных блоков в крупном аккумуляторе очень важна. Если в вышеупомянутом примере аккумулятор Теслы не загорелся полностью из-за хорошей термоизоляции, то в случае аккумулятора на борту Боинга 787 самовозгорание произошло из-за того, что блоки были недостаточно изолированы друг от друга, что привело к перегреву всей системы.
Также литий-ионные аккумуляторы оснащены контроллерами, сенсорами, балансирами заряда, и т.д. Подробнее про системы безопасности аккумуляторов можно почитать тут.
Как видно из этого поста, самый опасный компонент аккумулятора- электролит, который разлагается на легковоспламеняющиеся компоненты при повышении температуры. На сегодняшний день учёные пытаются найти более стабильные альтернативы: ионные жидкости, полимерные электролиты, твёрдотельные керамические электролиты и т.д. Но это-отдельная тема…
Литий-ионный аккумулятор — особенности и характеристики
Мобильность современных электронных устройств обеспечивает литий-ионный аккумулятор. Данный тип батареи одновременно сочетает компактные размеры, большую ёмкость при хорошей цене. Существует инновационный литий-полимерный элемент питания, обладающий лучшими показателями, но высокая себестоимость пока заставляет производителей в России смотреть в сторону Li-Ion аналога. Чтобы литионный АКБ прослужил несколько лет важно знать основные правила эксплуатации и зарядки, принцип работы.
Литий-ионные аккумуляторы отличаются большой емкостью при компактном размере корпуса.
Особенности производства литий-ионных АКБ
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов, разделённых сепараторами, куда залит электролит. Конструкция помещается в полностью герметичный корпус, исключающий доступ влаги, воздуха, катоды и аноды подключаются к токовыводам, через которые ток передаётся на устройство. На корпусе предусмотрен клапан, обеспечивающий стравливание чрезмерного давления, возникающего в результате резкого перепада температуры, нарушения правил эксплуатации.
Первые поколения литиевых аккумуляторов были подвержены взрывам. Поэтому долгое время использовались никель-кадмиевые батарейки, лишённые такой проблемы. Однако NiCd не способны обеспечить длительную автономность дейвайсов нового поколения, которые требуют от элемента питания одновременно и компактности и повышенной ёмкости, параметров тока, напряжения. Плотность энергии LiIon вдвое превышает NiCd.
В будущем за счет применения передовых активных материалов мощность будет дополнительно увеличена, они будут работать втрое дольше, чем ИП на базе устаревшей технологии.
Устройство и принцип работы АКБ
Ионно-литиевый аккумуляторный элемент питания состоит из положительных и отрицательных пластин. Катод создается из производных лития (при производстве используется несколько разновидностей)на алюминиевой фольге, анод выполнен из графита на медной фольге. Между пластинами устанавливается пористый сепаратор. Он пропитан электролитом, выполняющим роль проводника. Заряд переносится ионами лития, которые легко интегрируются в пористую решетку углерода, что вызывает хим. реакцию.
Вышеописанная схема сворачивается в рулон, помещается в герметичный корпус, выполненный из алюминия, стали, полимеров.
Аккумуляция, хранение, передача тока осуществляется по следующему принципу:
При подаче на электроды напряжения ионы лития отрываются от катода, переходят через сепаратор к графитовому аноду и встраиваются в его молекулярную структуру. В результате протекает реакция окисления, и аккумулятор заряжается. При подаче нагрузки ионы лития перемещаются обратно к катоду. Углеродистая пластинка на медной фольге становится «минусом», а производные лития на алюминии – «плюсом».
Принцип работы.
Разновидности
Существует несколько классификаций литий-ионных аккумуляторов по видам. Наиболее популярный – форма. В зависимости от принципа сворачиваемости фольги разделяют цилиндрическую и призматическую. Самый распространённый тип – цилиндр с маркировкой 18650.
Основные характеристики
Среди основных достоинств Li-Ion-аккумуляторов:
Среди негативных моментов:
Области применения
Технология хранения энергии на базе литий-ионного АКБ используется несколько десятков лет, но так и не достигла пика реализации потенциала. Элементы питания имеют широкое распространение не только в быту, но и в промышленности. Например, литий-ионные АКЮ используются в автомобилях, самолётах, водных судах.
Корпорация «Боинг» постоянно дорабатывает технологии производства аккумуляторов, создавая типоразмеры, способные работать в расширенном диапазоне температур. Последняя инновация – изменение конструкции, снижение параметров генерации тепла.
Совершенствуется и зарядная система, в основном за счёт установки продвинутых контроллеров, способных определить, проверить текущие параметры подачи тока, ограничить их при необходимости. Таким образом, обеспечивается щадящий режим зарядки, исключается отказ АКБ, что критически важно в самолете. Как правило, новые технологии, применяемые в авиационной, космической отрасли, со временем экспортируются и в бытовые приборы, обеспечивая пользователей качественными, безопасными источниками питания.
Очередным мощным прорывом стало появление современных электромобилей, где законодателем является компания Тесла. Её инженеры создали сверхмощные литий-ионные аккумуляторы, обеспечивающие дальность хода до 500 км, что сравняло электрический транспорт и ДВС.
Литий-ионный аккумулятор Тесла.
В Норвегии эксплуатируются паромы, которые передвигаются за счёт электрических двигателей, запитанных от литий-ионных аккумуляторных батарей. Грузоподъёмность одного судна – 360 пассажиров и 120 автомобилей.
Ещё одна сфера применения аккумуляторов на литий-ионной технологии – вертолётостроение. Например, электровертолёт японской компании Hirobo берёт на борт одного пассажира, развивает скорость до 100 км/час. На полном заряде АКБ бесшумный двигатель, не выбрасывающий в атмосферу CO2, способен проработать более получаса.
Развитие технологии производства аккумуляторов продвигается в направлении увеличения ёмкости, повышения мощности, при одновременном уменьшении габаритов, себестоимости. Применение кремниевых нанопроводников вместо графита в анодах поможет снизить время зарядки до 15 минут при троекратном увеличении ёмкости.
Общие правила эксплуатации Li-Ion аккумуляторов
Чтобы вольт-амперные, другие характеристики не снижались, важно правильно эксплуатировать литий-ионный аккумулятор. Важна первая зарядка, позволяющая правильно распечатать законсервированный АКБ. Заряжать устройство следует после полной разрядки, повторить процедуру рекомендуется 2-3 раза. Таким образом, исключается «эффект памяти», аккумулятор будет использоваться на полную ёмкость, заявленную производителем.
Важно следить за температурным режимом, при котором эксплуатируется смартфон, ноутбук, другая портативная техника. Литий-ионный источник питания чувствителен как к повышенной температуре (он может воспламениться, взорваться), так и к пониженной (могут существенно ухудшиться потребительские свойства).
Зарядка
Эксперты рекомендуют восполнять ёмкость АКБ, когда на экране появляется значение 30-50%. В блоке питания, входящем в комплект поставки, предусмотрен контроллер, который прекратит подачу тока, когда АКБ полностью заряжен. Это защищает аккумулятор от перегрева, но не гарантирует, что батарея не начнёт деградировать, если её забыть подключённой к сети на несколько дней.
Не следует заряжать аккумулятор, который недавно работал на предельных значениях. Если крышка устройства немного нагрелась, рекомендуется подождать 15-20 минут, только потом подключать зарядный блок к розетке.
Не рекомендуется использовать неоригинальный зарядный блок или самодельное устройство. Отсутствие, неправильная работа контроллера, зарядка некорректными значениями тока, чревата задымлением, возгоранием, взрывом.
Калибровка
Если пользователь заметил, что аккумулятор перестал работать, как раньше, рекомендуется выполнить калибровку. Процедура поможет снизить уровень саморазряда, падение ёмкости пластин, продлит общий срок жизни батарейки. В идеале калибровку необходимо делать каждые три месяца. Существует два варианта: ручная или программная. Но в любом случае процедура состоит из последовательного заряда-разряда аккумуляторной батареи, она повторяется 2-3 раза.
Такая схема действий восстанавливает нормальную работу контроллера, сбрасывает «эффект памяти». Если калибровка выполняется программным методом, пользователь дополнительно получает информацию о работоспособности аккумулятора, например, степень износа пластин.
Хранение
Литий-ионные аккумуляторы требуют особенных условий при хранении, особенно, если батарея не используется более полугода. При такой ситуации потребуется:
Оптимально, когда температура в помещении составляет 15-17 градусов. В таких условиях АКБ практически не подвергается саморазряду, сохраняет первоначальные эксплуатационные характеристики.
Нормальная температура хранения 15-17°С- при таких параметрах АКБ будет минимально саморазряжаться, сохранит потребительские свойства. Полную подзарядку аккумулятора необходимо повторять каждые 3-4 месяца.
Производители
Ежегодно производство литий-ионных аккумуляторов растёт, в основном за счёт автомобильной и высокотехнологичной отраслей. Среди крупнейших производителей аккумуляторов: CATL, LG Energy Solution (дочерняя компания LG Chem), Panasonic.
Литий-ионный аккумулятор – эффективный источник энергии, сочетающий компактные размеры и хорошую ёмкость, мощность. Батареи данного типа используются повсеместно, в каждой бытовой, промышленной сфере.