Форматы литиевых аккумуляторов
Задач, для которых может понадобиться аккумулятор, огромное множество. Невыгодно для каждого вида оборудования делать проприетарную аккумуляторную батарею, которой потом тяжело будет найти замену. Благодаря стандартизации, к примеру, мы имеем ряд разновидностей литиевых батарей, из которых собираются аккумуляторы под конкретную задачу.
Рассмотрим форматы литиевых аккумуляторов, на основе которых создаются сборки для автономной работы современной техники. С базовыми знаниями в данной теме Вы сможете без какого-либо труда находить замену старому аккумулятору или элементам, из которых он состоит.
Сперва о разновидностях
Литиевые аккумуляторы характеризуются не только своим типоразмером, но и применяемыми активными компонентами, что прямым образом влияет на технико-эксплуатационные характеристики. Поэтому начнем статью с того, что рассмотрим разновидности литиевых аккумуляторов с точки зрения их устройства.
Основное отличие различных типов литиевых аккумуляторов заключается в покрытии катода. О том, какой катодный материал используется в той или иной батарее говорит маркировка, нанесенная на корпус. Разумеется, самой популярной разновидностью литиевых аккумуляторов являются литий-ионные (Li-ion), которые также подразделяются на типы. Приведем некоторые из них:
- ICR: литий-ионный с кобальтовым катодом LiCoO2;
- IMR: литий-ионный с марганцевым катодом;
- INR: литий-ионный с марганцево-никелевым катодом;
- NCR: литий-ионный с никель-кобальтовым катодом. Данный тип наиболее сбалансирован и, соответственно, востребован. К примеру, более 7 тысяч ячеек такого типа установлены в электрическом автомобиле Tesla.
Нельзя не упомянуть такие разновидности литиевых АКБ, как литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4). Ячейки этого типа радикально отличаются по многим параметрам, предлагая более длительный циклический ресурс, морозостойкость, стабильность напряжения и другие преимущества. Минусы тоже имеются. Например, данные феррофосфатные батареи имеют более низкую энергоемкость, из-за чего в одинаковом объеме они способны накопить меньше энергии. Напряжение одной ячейки составляет нестандартные 3,2В
Самым же перспективным видом литиевых батарей являются литий-титанатные аккумуляторы (LTO). Производимый по новейшим технологиям, титанатный аккумулятор имеет впечатляющий ресурс в более чем 2 тысячи циклов, а также поддерживает зарядку с огромной скоростью. Некоторые модели способны пополнять заряд до 90% за несколько минут. LTO аккумуляторам светит интересная перспектива в сфере электрических автомобилей.
Прямое сравнение вышеперечисленных разновидностей литиевых аккумуляторов зачастую не имеет смысла из-за их применения в разных сферах.
Типоразмеры литиевых АКБ
Теперь поговорим о более приземленном — о форме и размерах литиевых аккумуляторов. Иначе говоря, об их форматах. Любая АКБ, доступный на рынке, является представителем одного из стандартных форматов, благодаря чему мы имеем отличную взаимозаменяемость в случае выхода элемента из строя. Рассмотрим наиболее распространенные форматы современных литиевых аккумуляторов.
Цилиндрические элементы
Популярный формат литиевых аккумуляторов, который используется буквально повсюду. Цилиндрические АКБ установлены как в ручном или налобном фонарике, так и в электрокарах. Выше мы уже говорили о том, что в автомобиле Tesla силовой агрегат состоит из более чем 7000 элементов типа NCR. Если быть конкретнее, то речь идет о цилиндрических элементах Panasonic NCR18650B на 3,7В 3400мАч.
На корпус цилиндрических АКБ наносят маркировку, обозначающую габариты. Две первые цифры — это диаметр в миллиметрах, а остальные — длина. Таким образом, ячейка типоразмера 18650 имеет диаметр 18 мм, а длину — 65 миллиметров (нуль в конце опускается). А вот аккумуляторы 32650 вдвое шире при той же длине.
Призматические элементы
Призматические литиевые АКБ используются не так часто, как цилиндрические, особенно с учетом того, что иногда их применение неявно. К примеру, если Вы покупаете 12-вольтовый литиевый корпусный аккумулятор, являющийся по форме и размерам прямой заменой свинцово-кислотных аналогов, то внутри он почти наверняка будет представлять собой сборку соединенных призматических элементов.
Литиевые аккумуляторы призматического формата могут иметь различные типы контактов (винтовые борны, контактные площадки) и являются очень хорошим вариантом для создания аккумуляторной сборки высокой емкости или напряжения. Обычно такие элементы относятся к литий-железо-фосфатному типу.
Элементы в ламинированной фольге
Рядовой пользователь, наверное, меньше всего встречается с литиевыми АКБ, собранными в ламинированной фольге. Именно такой формат имеют литий-ионные и полимерные аккумуляторы, установленные в смартфонах. Разумеется, смартфонами сфера применения не ограничивается. Данный формат часто используется там, где необходим как раз-таки не универсальный источник питания, а проприетарный с нетипичными формой и габаритами.
Литиевые АКБ в фольге популярны также среди радиолюбителей, собирающих автономные электронные приспособления. За счет своей компактности данные батареи обеспечивают значительную автономность при малом занимаемом объеме. Минусом можно считать хрупкость элемента. Ярким примером может стать частая проблема, с которой приходится иметь дело при замене дисплея в смартфоне. На этапе разборки надо удалить приклеенную АКБ. Сделать это, не согнув ее, очень трудно. После деформации “выгнуть” назад аккумулятор без последствий не выйдет: с высокой долей вероятности он вскоре вздуется и потеряет свои характеристики.
Типы аккумуляторов
Отсутствие эффекта «памяти» в литиевых аккумуляторах позволяет заряжать и подзаряжать аккумуляторы по мере необходимости, а так же находиться в зарядном устройстве длительное время. Обычно поставляются заряженным на 40-60%. Степень саморазряда литиевого аккумулятора рекордно мала – 3-5% в месяц. При длительном хранении необходима подзарядка не реже, чем раз в 3 месяца. Время работы литиевых аккумуляторов сокращается при температуре ниже 0°С. Срок службы литиевых аккумуляторов составляет от 4 до 6 лет, по прошествии которых ёмкость аккумулятора снизится и он может стать непригоден, не зависимо от интенсивности использования. Номинальное количество циклов заряда/разряда более 1000, максимальное – более 2000 циклов. Восстановлению данные аккумуляторы не подлежат.
Аккумуляторы на основе литий-ионных ячеек эффективны при интенсивном использовании и частых циклах заряда/разряда. В период срока службы такие аккумуляторы будут оптимальны для техники, которая часто и регулярно используется, в сравнении с батареями на основе никеля.
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol, Lithium Polymer)
Достоинства Li-Pol аккумуляторов:
Высокая ёмкость
Малые габариты
Небольшая масса
Отсутствует эффект «памяти»
Низкая степень саморазряда
Большое количество циклов заряда/разряда
Возможность форсированной (быстрой) зарядки
Возможность изготовления любой формы и конфигурации
Недостатки Li-Pol аккумуляторов:
Высокая стоимость
Быстрое старение
Чувствительна к низким температурам
Литий-полимерные и литий-ионные батареи схожи по своим техническим характеристикам за исключением того, что литий-полимерные аккумуляторы имеют возможность изготовления практически любой формы и конфигурации, что позволяет убрать ограничения в отношении конечной формы, размеров и электрических характеристик. Так же литий-полимерные аккумуляторы имеют более высокие показатели в стандартных тестах на производительность и безопасность (раздавливание, протыкание, вибрация, короткое замыкание, перезаряд, форсированный заряд), но из-за кристаллизации находящегося внутри полимера электрические характеристики сильно ухудшаются при отрицательной температуре.
Аккумуляторы на основе литий-полимерных ячеек эффективны при интенсивном использовании и частых циклах заряда/разряда. Подходят для устройств с нестандартным форм-фактором и специфической конфигурацией.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4)
Достоинства LiFePO4 аккумуляторов:
Высокая ёмкость
Отсутствует эффект «памяти»
Устойчивы к переразряду
Не теряют емкость при отрицательных температурах
Низкая степень саморазряда
Срок хранения до 15 лет
Большое количество циклов заряда/разряда
Возможность форсированной (быстрой) зарядки
Не горят при повреждении и не токсичны
Недостатки LiFePO4 аккумуляторов:
Высокая стоимость
Тяжелее относительно Li-Ion
В отличие от большинства литиевых аккумуляторов LiFePO4 отличаются длительным сроком службы, устойчивостью к отрицательным температурам и безопасностью в эксплуатации. Поставляются заряженным на 40-60%. Могут использоваться вне помещений, так как устойчивы к отрицательным температурам до -30°С. Степень саморазряда менее 1,5% в месяц. Длительное хранение не сказывается негативно на работе. Срок службы достигает 5000 циклов перезарядки, а срок хранения до 15 лет.
Аккумуляторы на основе литий-железо-фосфатных ячеек оптимальны для техники, которая используется вне помещений и периодически остается на хранении длительное время. Область применения – накопители для солнечных панелей и ветрогенераторов, электроавтомобили, водный транспорт, складская техника, гольфкары, электровелосипеды и электроскутеры.
Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd, Nickel Cadmium)
Достоинства Ni-Cd аккумуляторов:
Низкая стоимость
Высокая вероятность восстановления
Работа в широком диапазоне температур
Большое количество циклов заряда/разряда
Возможность форсированной (быстрой) зарядки
Недостатки Ni-Cd аккумуляторов:
Высокая степень саморазряда
Эффект «памяти»
Большие размеры
Токсичность при неправильной утилизации
Срок службы ограничен количеством циклов заряда/разряда
Никель-кадмиевые аккумуляторы чаще всего поставляются почти полностью разряженными из-за высокой степени саморазряда – 15-20% в месяц. Нахождение в зарядном устройстве длительное время нежелательно, так как сильно ухудшаются характеристики. У никель-кадмиевых аккумуляторов есть эффект “памяти” и чтобы избежать проявления этого эффекта требуется регулярно (где-то раз в неделю) полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой. Практически нет потери емкости при температуре до -20°C, а рабочий диапазон температур варьируется от -50°C до +70°C. Номинальное количество циклов заряда/разряда более 1000, максимальное – более 2500 циклов. Восстановление данных аккумуляторов возможно с вероятностью 60%.
Специфика использования никель-кадмиевых аккумуляторов обусловлена сроком службы, который зависит от количества циклов заряда/разряда и соблюдения условий зарядки. Наиболее эффективно использование для периодической эксплуатации и в режиме полного разряда.
Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH, Nickel Metal-Hydride)
Достоинства Ni-MH аккумуляторов:
Низкая стоимость
Высокая ёмкость
Низкая токсичность
Слабовыраженный эффект “памяти”
Работа в широком диапазоне температур
Недостатки Ni-MH аккумуляторов:
Высокая степень саморазряда
Медленная зарядка
Малое количество циклов заряда/разряда
Сложное и дорогое устройство зарядных устройств
Никель-металлогидридные аккумуляторы должны храниться полностью заряженными. Степень саморазряда у них крайне высока и достигает 30% в месяц. Нахождение в зарядном устройстве длительное время нежелательно, так как сильно ухудшаются характеристики. У никель-металлогидридныx аккумуляторов слабо выражен эффект “памяти” и рекомендуется регулярно (примерно каждые два месяца) полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой. По сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами (Ni-Cd) имеют большую энергетическую плотность (емкость), но требовательны к зарядным устройствам и условиям зарядки. Проявляют хорошую работоспособность при низких температурах, но диапазон рабочих температур не высок – от -10°C до +40°C. Номинальное количество циклов заряда/разряда от 500 до 1000 циклов. Восстановление данных аккумуляторов возможно с вероятностью 15%.
Использование никель-металлогидридных аккумуляторов ограничено сроком службы, однако они обладают большой емкостью и наиболее эффективно их использование в устройствах с низким постоянным потреблением.
Типы литиевых аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы – это большая группа герметичных необслуживаемых источников тока, в которых заряд переносят ионы лития. В зависимости от особенностей состава, они имеют разные электрохимические свойства и технические характеристики. Есть у них и общие качества: невыраженный эффект памяти, легкий вес, хорошая токоотдача, энергоэффективность. Но многие параметры (диапазон рабочих напряжений, допустимые токи, удельная емкость и т.д.) зависят именно от химического состава, прежде всего – от материала катода.
Широко распространены следующие типы литиевых аккумуляторов: LiMn2O4 (краткое обозначение LNO), LiCoO2 (сокращенно LCO), LiMnO2, LiNiMnCoO2 (NMC), LiNiCoAlO2 (NCA), LiFePO4 (LFP), Li4Ti5O12 (LTO). Остановимся подробнее на каждом подвиде современных Li-ion аккумуляторов, рассмотрим их плюсы и минусы, характерные особенности и оптимальные области применения.
Литий-кобальтовые АКБ – LCO
Характеристики
Плюсы
Минусы
Область применения
Номинальный вольтаж 3,6 В, рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В.
Прекрасная энергоемкость – 150–200 Вт·ч/кг.
Небольшой ресурс – 500–1000 циклов.
Невысокая удельная мощность.
Допустимые токовые нагрузки – около 1С.
Снижение производительности при высоких и низких температурах.
Смартфоны, ноутбуки, планшеты, цифровые камеры, фотоаппараты.
Литий-марганцевые модели – LNO
Характеристики
Плюсы
Минусы
Область применения
Напряжение (номинал) 3,7 В, рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В.
Минимальное внутреннее сопротивление, предельные токи при зарядке – 3С, при разряде – 10С, импульсно – до 50С.
Скромная емкость – примерно на 30% ниже, чем у LCO моделей тех же размеров.
Средний срок службы – 300–700 циклов.
Беспроводной электрический инструмент, медоборудование, электромоторы.
Аккумуляторы NMC – с катодом из никеля, марганца и кобальта
Характеристики
Плюсы
Минусы
Область применения
Вольтаж (номинал) 3,6–3,7 В, рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В.
Солидный запас емкости – 150–220 Вт·ч/кг. Хорошая производительность.
Ресурс 1000–2000 циклов. Возможность оптимизации аккумуляторов под мощность или емкость. Большой выбор.
Стандартные значения зарядных и разрядных токов – 1С.
Мощные электроинструменты, медоборудование, автономное питание электромоторов персонального электротранспорта, промышленное оборудование.
NCA модели – с никелем, кобальтом и алюминием
Характеристики
Плюсы
Минусы
Область применения
Номинальное напряжение 3,6 В, рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В.
Солидная энергоемкость – 200–260 Вт·ч/кг.
Слабые показатели безопасности.
Средний срок службы – 500 циклов.
Стандартные величины токов зарядки и нагрузки– 0,7 С и 1С.
Электротранспорт, промышленные агрегаты, медоборудование.
Литий-железо-фосфатные модели – LiFePO4
Характеристики
Плюсы
Минусы
Область применения
Вольтаж (номинал) 3,2–3,3 В, рабочий диапазон – от 2,5 до 3,65 В.
Минимальное внутреннее сопротивление, хорошие электрохимические параметры. Устойчивость к токовым нагрузкам, глубоким разрядам и перезарядам. Допустимые токи заряда – 5С, разряда – до 25С. Тепловая стабильность, морозостойкость, отличный уровень безопасности, ресурс минимум 2000 циклов.
Меньшая удельная емкость – 90–120 Вт·ч/кг.
Более высокий саморазряд – по сравнению с другими видами литиевых аккумуляторов.
Везде, где нужна высокая токоотдача, стабильная работа в любое время года и выносливость, например, автономное питание лодочных электромоторов, персонального электротранспорта, складской и клининговой техники, промышленного оборудования.
Литий-титанат – LTO
Характеристики
Плюсы
Минусы
Область применения
Анод из нанокристаллов титаната лития.
Напряжение 2,4 В, рабочий диапазон – от 1,8 до 2,75 В.
Высокие значения допустимых токов: 10С, импульсно – 30С. Морозостойкость – сохранение 80% емкости при температуре –30 °С. Превосходный уровень безопасности, ресурс 3000–7000 циклов.
Низкая удельная емкость – 65–80 Вт·ч/кг.
Системы аккумулирования электроэнергии, ИБП, автономное питание электромоторов, осветительные приборы на солнечных панелях.
Литий-полимерные аккумуляторы
К этой группе относятся литиевые элементы питания с различными типами химии, у которых вместо жесткого корпуса используется тонкая металлизированная оболочка. В отличие от других Li-ion аккумуляторов, которые имеют форму цилиндра или призмы, элементы Li-Po производятся в форме пакетов. Они бывают очень тонкими и могут иметь разные размеры. Часто такими элементами питания оснащают смартфоны, планшеты, навигаторы и другие электронные устройства.
Высокотоковые аккумуляторы Li-Polymer используют в радиоуправляемых игрушках, дронах, вертолетах, самолетах для хобби. Элементы питания этого типа отличаются компактными размерами и большими разрядными токами. Они производятся в гибком металлизированном корпусе и обычно имеют литий-марганцевый состав, т.к. именно марганец повышает устойчивость электрохимической системы к токовым нагрузкам.
Тяговые АКБ
Все разновидности литиевых аккумуляторов относятся к тяговым источникам питания. Они рассчитаны на интенсивное использование в циклическом режиме заряд-разряд и обеспечивают питание устройств в течение нескольких часов. Подходят такие АКБ и для применения в буферном режиме, но в таком случае лучше выбирать емкостные модели. При выборе АКБ обязательно учитывают условия их эксплуатации и необходимые технические параметры.
Например, для лодочных электромоторов, клининговых машин и складской техники отлично подходят Li-ion АКБ типа LiFePO4. Они не боятся тряски, вибраций, глубоких разрядов и жестких условий эксплуатации. Такие АКБ рассчитаны на активное использование в широком диапазоне температур и обеспечивают стабильно высокую токоотдачу при любом уровне остаточного заряда.
Отлично подходят LFP батареи и для персонального электротранспорта, в т. ч. для мощных электровелосипедов, мопедов, скутеров, фэтбайков на электротяге. Выручают они в условиях низких температур, например, при оснащении электропогрузчиков, используемых в холодильных и морозильных камерах. Разнообразие Li-ion аккумуляторов с разными техническими характеристиками позволяет выбрать наилучшую АКБ для любых задач.
Литиевые аккумуляторы и АКБ по отличным ценам
В интернет-магазине Shura-Master.ru представлены Li-ion аккумуляторы и батареи разных типов: высокотоковые и емкостные, с разными размерами и рабочими параметрами. Заказывайте необходимые вам АКБ, и мы оперативно доставим их по Москве или отправим транспортной компанией в другую точку России.
Какие бывают литиевые аккумуляторы
Чем дальше двигается прогресс, тем более востребованными становятся аккумуляторные батареи. В то время, как одна техника избавляется от проводов, другая избавляется от двигателя внутреннего сгорания. Во всех этих случаях для автономной работы требуются источники энергии. На данный момент самым востребованным видом аккумуляторных батарей являются литиевые АКБ. Свинцово-кислотные аналоги значительно уступают им в удельной энергоемкости, что является критичным показателем. Не может техника быть мобильной, если источник питания будет большим и тяжелым. Поэтому свинцово-кислотные АКБ постепенно теряют популярность, которая удерживается разве что низкой ценой.
Как и свинцово-кислотные АКБ, литиевые батареи делятся на различные виды, в зависимости от основного элемента. Большинство пользователей даже не подозревают, какие бывают литиевые аккумуляторы, по умолчанию принимая за литиевые тип li-ion. Попробуем разобраться.
Работа литиевого аккумулятора
Как и свинцово-кислотная АКБ, литий-ионный аккумулятор имеет положительную и отрицательную пластину (катод и анод), между которыми располагается электролит. Очень похоже на аккумуляторные батареи AGM.
Катод и анод представляют собой фольгу с нанесенным на ней материалом. Катод — это алюминиевая фольга с катодным материалом, а анод, соответственно, медная фольга с анодным материалом.
Устройство литиевого аккумулятора может отличаться применением тех или иных катодных материалов. Наверное, самым распространенным из них является кобальт лития. Как раз на его основе работают традиционные литий-ионные аккумуляторные батареи.
Кроме состава, литиевые аккумуляторы могут иметь различные типоразмеры. Для примера приведем форматы и типоразмеры li-ion аккумуляторов:
- Цилиндрические. Самый популярный формат литиевых аккумуляторных батарей. Причиной тому является универсальность. К примеру, цилиндрические литий-ионные аккумуляторы типоразмера 18650 используются в огромном количестве портативной техники и даже в электрокарах. Известный автомобиль Tesla model S использует аккумуляторные блоки на основе более чем 7000 аккумуляторов Panasonic NCR 18650B.
- Бескорпусные. Тоже популярный вид аккумуляторов. Наиболее часто бескорпусные АКб (литий-ионные и полимерные) используются в мобильной технике. Они компактны, однако их легко повредить.
- Корпусные. Такие литиевые АКБ можно встретить реже, но вскоре они вполне смогут заменить свинцово-кислотные. К примеру, уже сейчас можно найти 12-вольтовые литиевые корпусные аккумуляторы для мотоцикла емкостью примерно 8 ампер-часов.
- Стоечные. В промышленности можно встретить аккумуляторы в формате стойки. По факту такие АКБ представляют собой готовую сборку из множества батарей, подготовленную для монтажа в стойку и оснащенную дополнительной умной электроникой для контроля заряда и даже удаленного управления.
Типы литиевых аккумуляторов
Вопреки популярному мнению, литиевые аккумуляторы — это не только литий-ионные модели. Можно даже сказать, что литий-ионные не являются самыми лучшими. Тогда почему они такие популярные? Решает соотношение цены и характеристик. Для электронных приспособлений куда выгоднее купить сборку из литий-ионных АКБ, даже если менять ее придется чаще. А если блок состоит из тысяч аккумуляторов, как в случае с электрокарами Tesla, то выгода становится очевидной. Тем не менее, рассмотрим прочие типы АКБ.
- Литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Данный тип литиевых АКБ использует в качестве катода LiFePO4. В сравнении с традиционными литий-ионными аккумуляторами, LiFePO4 имеет значительное преимущество в ресурсе работы, более хорошую термоустойчивость и меньшей токсичностью. Цена обычно более демократичная. Основным недостатком считается такая характеристика, как удельная плотность энергии. Она ниже, поэтому требуется находить больше места для установки аккумуляторного блока. Важным достоинством также является морозостойкость. Некоторые LiFePo4 аккумуляторы способны нормально работать даже при -30 градусах.
- Литий-титанатные аккумуляторы. Крайне интересный тип литиевых аккумуляторных батарей. Они не так широко распространены, однако являются перспективными для автомобильной и других отраслей. Структурное отличие заключается в применении титаната лития на аноде. Важнейшей особенностью таких АКБ является возможность быстрой зарядки. Некоторые модели позволяют подавать ток номиналом в 300С (в 300 раз выше номинальной емкости). За счет супербыстрой зарядки литий-титанатные АКБ даже применяются в электрическом общественном транспорте: 30-секундная подзарядка на остановке позволяет зарядить АКБ почти до конца. Ресурс обычно даже больше, чем в LiFePO4 аналогах. Литий-титанатные батареи, к слову, тоже хорошо себя показывают при работе в минусовую температуру. За недостаток принимают низкое напряжение одного элемента (2,4В). Вполне возможно, что с дальнейшим развитием технологии именно литий-титанатные аккумуляторные батареи будут устанавливаться во все электрокары.
- Литий-полимерные аккумуляторы. По свойствам данные АКБ практически соответствуют литий-ионным. Основное достоинство таких батарей является в разнообразии форм, которые те могут принимать. Остальные свойства практически идентичны Li-ion.
Таким образом, если нужен бытовой или профессиональный источник питания, среди литиевых аккумуляторных батарей всегда найдется модель, тип которой на все 100% удовлетворяет Вашим требованиям. С высокой долей вероятности, конечно, наиболее привлекательным из-за своей сбалансированности будет Li-ion, однако никогда не стоит отметать преимущества аккумуляторов других типов.