На сегодняшний день в электронном оборудовании применяется в основном литий-ионный аккумулятор. Чаще всего его используют в смартфоне, планшете, ноутбуке, смарт-часах и всякой электронной технике, но так же его используют и во многих других областях, например в электромобилях. Учитывая такую масштабную применимость литий-ионных аккумуляторов, рынок электронного оборудования становится зависимым от использования данного типа аккумулятора.
Хоть литий-ионный аккумулятор необычайно полезен за счёт своих предоставляемых преимуществ, он так же весьма вреден в некоторых применениях или даже опасен в силу своих недостатков. Тем не менее с годами технология совершенствуется, количество минусов сокращается, а плюсы становятся всё более доступными.
Преимущества литий-ионного аккумулятора
Высокая плотность энергии
Высокая плотность энергии позволяет электронному оборудованию (смартфонам, ноутбукам, электромобилям) работать дольше без подзарядки при скромных размерах элемента питания. Чем больше требуется энергии устройству, тем выше должна быть плотность энергии в аккумуляторе.
Например, электроинструменты и электромобили обладают значительно большей высокой удельной мощностью, чем смартфоны. Литий-ионные аккумуляторы идеально подходят для такого рода задач, что является их главным преимуществом как раз за счёт высокой плотности энергии.
Низкий саморазряд
Ключевая проблема аккумуляторных батарей — потеря заряда без использования (саморазряд). Литий-ионные элементы обладают едва заметной скоростью саморазряда.
Они теряют намного меньше энергии, чем другие перезаряжаемые элементы (например, Ni-Cd и NiMH). Принято считать, что у Li-Ion саморазряд составляет 5% в первые 4 часа после зарядки и затем снижается до 1-2% в месяц.
Напряжение — 3,6 В
Напряжение каждого элемента литий-ионного аккумулятора составляет около 3,6 вольт. В чём здесь преимущество:
- напряжение выше, чем у стандартных никель-кадмиевых и никель-металлгидридных, а также стандартных щелочных элементов (1,5 В);
- напряжение выше, чем у свинцово-кислотных элементов (около 2 В на элемент);
- это значит, что устройствам требуется меньше элементов.
Это дешевле, проще и безопаснее в эксплуатации. Так, например, для смартфонов достаточно одной ячейки. Однако в некоторых моделях производители применяют две ячейки литий-ионного аккумулятора для быстрой зарядки, что усложняет управление питанием и удорожает конструкцию, но всё равно выгоднее, чем применять ещё большее число ячеек вдвое меньшего напряжения.
Нагрузка — держит 3,6 В стабильно до разрядки
Нагрузочные характеристики литий-ионного аккумулятора отличаются стабильной работой с момента зарядки до момента полного разряда. Это хорошие показатели на фоне всех конкурирующих технологий.
Это значит, что напряжение 3,6 В на элемент постоянное. Оно снижается непосредственно перед тем, как батарея полностью разрядится. Производители могут рассчитывать на эту характеристику, чего не сказать про другие типы элементов питания, где напряжение изменяется.
Масштабная применимость
Существует несколько типов литий-ионных элементов. Преимущество пригодилось для придания батарее особых свойств в её назначении.
Так, например, одни варианты обеспечивают высокую плотность тока и идеально подходят для длительной работы бытовых приборов и гаджетов. Другие способны обеспечивать гораздо более высокие уровни тока, благодаря чему идеально подходят для электроинструментов. Третьи отличаются высокой безопасностью и долгим сроком службы, что по достоинству оценили производители электромобилей.
Не требуется обслуживание
Одно из преимуществ литий-ионных батарей заключается в отсутствии особых потребностей. Например, в обслуживании. Аккумуляторы поставляются в рабочем состоянии и готовы к работе сразу же из коробки.
Так же вы можете продлить срок службы батареи за счёт некоторых манипуляций. Так, например, сразу после покупки нового аккумулятора Li-Ion не спешите его разряжать. Рекомендуется полностью зарядить и лишь затем разрядить до отключения, после вновь зарядить до 100%. Так батарея набирает ёмкость, а контроллер устройства «обучается» правильной индикации
Нет затрат на эксплуатацию
Раз не требуется никакое особое обслуживание, то нет и затрат на эксплуатацию, проверки, тестирование. Одно из преимуществ литий-ионных батарей — никакого активного ухода, заправки или технического поддержания работоспособности.
Например, никель-кадмиевые элементы нужно периодически разряжать, чтобы не проявился эффект памяти прошлой зарядки. Точно так же свинцово-кислотные элементы испытывают потребность в техническом обслуживании. Некоторые из них периодически заправляют аккумуляторной кислотой.
Недостатки литий-ионного аккумулятора
У литий-ионного аккумулятора, как и в случае использования любой другой технологии, имеются свои недостатки. Сопоставьте их с преимуществами, чтобы точно представлять себе ограничения в применении.
Требуется защита
Главный минус литий-ионного аккумулятора — ненадёжность в сравнении с другими аккумуляторными технологиями. Чтобы снизить риски и гарантировать безопасность, производители разработали варианты защиты от:
- чрезмерного заряда,
- слишком сильного разряда,
- короткого замыкания,
- небезопасных пределов тока и так далее.
Современные интегральные схемы позволяют относительно легко встроить в батарею или в оборудование (когда батарея не взаимозаменяема) систему управления — контроллер. Он делает литий-ионные батареи безопасными и помогает использовать элементы без каких-либо специальных знаний. Например, вы можете оставить смартфон на зарядке на всю ночь или даже на целый уикенд — ничего страшного не случится, так как зарядное устройство вовремя отключит питание.
Схема защиты, встроенная в литий-ионную батарею, контролирует ряд аспектов её работы. Например, ограничивает пиковое напряжение каждой ячейки во время зарядки, поскольку чрезмерное напряжение может повредить их. Обычно в многоэлементных аккумуляторах ячейки заряжаются последовательно через один разъём питания. Поскольку разные элементы могут требовать разного уровня заряда, существует вероятность того, что одна ячейка будет испытывать напряжение выше требуемого. Также схема защиты предотвращает слишком низкое падение напряжения элемента при разряде (глубокий разряд). Опять же, это может произойти, когда одна ячейка хранит меньше заряда, чем другие, в аккумуляторе (скажем, у шуруповёрта). То есть её заряд истощается раньше других.
Еще одним аспектом схемы защиты является температура. Ячейка может переохладиться или перегреться. Максимальный ток заряда и разряда для большинства аккумуляторов ограничен повышением температуры на 1-2°C. Тем не менее, некоторые из них немного нагреваются при быстрой зарядке.
Ограниченный срок службы — 500-1000 циклов
Износ — это один из самых неприятных недостатков литий-ионных батарей. Количество циклов зарядки и разрядки ограничено 500-1000 циклами, после которых ёмкость снижается, а деградация усиливается. Соответственно ёмкость упадет в любом случае. При интенсивном использовании раньше. При бережном — позже. С развитием литий-ионной технологии эта цифра увеличивается, но рано или поздно без замены не обойтись. И это может быть проблемой, если аккумулятор встроен в оборудование.
Подвержен старению, даже если не используется
Помимо износа при эксплуатации аккумулятор подвержен старению даже когда не используется. Причина в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих внутри него без остановки. Если вы планируете долгое время хранить аккумулятор без использования, то следует частично зарядить его. В различной документации указан диапазон заряда между 40% и 50%. Оптимально сухое, тёмное место с температурой не выше +22°C и не ниже +5°C. Хранение в этих условиях поможет продлить срок службы.
Ограниченная транспортировка
В последние годы многие авиакомпании ограничивают количество принимаемых литий-ионных батарей. Их перевозка ограничена на законодательном уровне. Поэтому пассажирам самолётов приходится перевозить литий-ионные аккумуляторы в ручной клади согласно правилам большинства авиакомпаний. Время от времени условия меняются. Но количество батареек, разрешённых с собой, всегда ограничено.
Любые литий-ионные батареи, переносимые отдельно, должны быть определённой ёмкости, по возможности извлечены из устройства, защищены от короткого замыкания защитными крышками и так далее. Например, большие Li-Ion аккумуляторы (как в ИБП) вовсе нельзя перевезти авиатранспортом.
Перед полетом проверяйте, можно ли носить с собой большой повербанк. Иногда требования туманны, и по факту вам предстоит выбор:
- лететь самолётом и выбросить аккумулятор в аэропорту,
- либо отказаться от перелёта и выбрать другой транспорт.
Высокая стоимость
Себестоимость литий-ионного аккумулятора на производстве примерно на 40% выше, чем у никель-кадмиевых элементов. При разработке массовых потребительских товаров любые дополнительные расходы являются серьёзной проблемой.
Не достаточно развитая технология
Li-Ion уже много лет на рынке, и это всё ещё незрелая технология. Она принадлежит к развивающейся области инвестирования и разработок. С одной стороны это недостаток. Ведь мы получаем незаконченный продукт, который много лет никто не может усовершенствовать и довести до значительного прогресса. С другой стороны, новые литий-ионные технологии разрабатываются постоянно. Может ли это быть преимуществом? Если появляются более совершенные решения, то может, но пока таких по пальцам пересчитать.
Любопытно, что некоторые преимущества и недостатки литий-ионной батареи идут рука об руку:
- с одной стороны технология используется повсеместно, но она ещё недостаточно развита;
- в плюсах она легко приспосабливается под разные устройства, но в минусах опасна при определённых условиях эксплуатации;
- нет саморазряда и каких-то сложностей в применении, но стареет даже если не используется;
- защищена со всех сторон и в принципе безопасна, но запрещена к перевозке авиатранспортом.
Так сложилось, что сейчас производители смартфонов, ноутбуков, электромобилей и других устройств, где применяется Li-Ion научились использовать преимущества технологии. Они максимально избавляются от её недостатков и стремятся повлиять на ограничения.
