Аккумуляторы – Часть вторая: Литиевые аккумуляторы

В прошлый раз разговор шел о аккумуляторах предназначенных для замены батареек 2А и 3А. То теперь хотелось бы поговорить о литиевых аккумуляторах непосредственно для такой замены не предназначенных (некоторыми оговорками). Впрочем, в последнее время появляется все больше устройств изначально рассчитанных для работы с этими аккумуляторами.

Для литиевых аккумуляторов применяется следующая маркировка:

  1. Технология, по которой изготавливается аккумулятор;
  2. Материал катода, где C/M/F — кобальтовый/марганцевый/ферро-фосфатный;
  3. R – аккумулятор (rechargeable)
  4. Форм-фактор (первые две – диаметр, следующие – длинна, последняя – форма аккумулятора (0-цилиндрическая))
  5. Специфическая маркировка от производителя.

Теперь по порядку:

Какие бывают? “Химия” используемых аккумуляторов

Литий ионные или литий полимерные, в данном случае без разницы, литий-полимерный это тот же литий ионный усовершенствованной конструкции.

По материалу катода::

  1. Литий кобальтовые LiCoO2, LCO, ICR, NCR. Высокая удельная емкость, низкий саморазряд, нет выраженного эффекта памяти, большое напряжение. Но взрывоопасны (первые поколения, устранено), пожароопасны при перезаряде и/или перегреве, не переносят глубокий разряд (оптимально для хранения 40 % емкости), старение (вне зависимости от использования теряют емкость), при температурах ниже 0 до 50 % снижается мощность, чувствительны к температуре заряда плохо переносят заряд при высоких и низких температурах. Т.ж. чувствительны к напряжению зарядки, при превышении теряют емкость.
  2. Литий марганцевые LiMnO2, LiMn2O4 и LiNiMnCoO2 они же IMR, INR. Высокотоковые, могут отдавать большие токи вплоть до 10С, но имеют меньшую емкость. Самобалансировка(при заряде лишнее электричество переводится с тепло).
    • U максимальное: 4,2/4,4 В (полностью заряжен)
    • U номинальное: 3,6(3,7)/3,8 В
    • U минимальное: 2,5-3,0 В (полностью разряжен)
  3. Литий ферро-фосфатные LiFePO4, LFP, IFR, наиболее безопасны, термическая и химическая стабильность, долгий срок службы, стабильное U разряда, высокий I, низкий саморазряд, морозостойкость( работают до -30), большой I заряда, экологичны. Но ниже напряжение и меньше емкость. И главный недостаток немногие устройства знают про существование этих аккумуляторов, найти, например, фонарь рассчитанный на работу с LiFePO4 навряд ли удастся.
    • U максимальное: 3,65 В (полностью заряжен)
    • U номинальное: 3.2 В
    • U минимальное: 2 В (полностью разряжен)

Форм-фактор

Аккумуляторы выпускаются многих форм и размеров, все не перечислить, поэтому остановимся на трех наиболее используемых в носимых устройствах. Это 18650, 14500 (2А) и 10440 (он же 3А), две первые цифры указывают диаметр, а следующие две – длину аккумулятора, последняя форму (0 – цилиндрическая). Первый один из самых распространенных форм-факторов литиевых аккумуляторов, два вторых формат обычных батареек существующий уже более 10 лет, АА с 1907, а ААА с 1911 года.

Еще могут быть интересны 18700 (18650 с защитой), 18340 (половинка 18650) и 26 650 (увеличенные). Еще для одного 6F22 (крона) будет отдельная статья.

Защита

Защита это специальная плата не дающая разрядить аккумулятор ниже 2,75 В и зарядить выше 4.2 (не даст убить аккумулятор) и предохраняют от КЗ, но не предохраняет от перегрева. Кроме того защита защита удлиняет аккумулятор на 3-4 мм. Крупные производители не выпускают аккумуляторов с защитой, защищенные аккумуляторы это по сути колхозинг от китайцев добавляющих плату защиты к готовому аккумулятору.

Если говорить о формфакторах то в основном встречаются защищенные 18650 (18700 если быть точнее), 14500 (14550 по аналогии) встречаются очень редко, 10440 защищенных не встречал. Обозначаются они обычно как “Protected”, “With protective PCB”, “Protection Circuit” и т.п.

Если говорить про один элемент, то при аккуратном использовании(специально предназначенные для них устройства, не забывать включенными …) и хранении (рекомендую сразу озаботится приобретением коробочек под это дело) защита не нужна. Скорее стоит опасаться перепутать аккумулятор с батарейкой (14500 и 10440). Защита не будет работать если устройством потребляется большой ток (3 и более А).

Защита нужна если “Чего думать – трясти надо!” (c) т.е лень заворачиваться с зарядкой, хранением, контролем … Используемое устройства не отключается при разряде, имеющаяся зарядка вызывает сомнения … Если используются многоэлементные сборки (два и более аккумулятора соединенных последовательно), хотя в данном случае лучший вариант это использовать специальную плату балансировки ячеек. Ну и наконец для такого аккумулятора должно хватить места.

Как и где использовать

В идеале использовать в устройствах рассчитанных на работу с аккумуляторами. Но если для лития 3.7 В такие устройства еще встречаются, то для литий ферро-фосфатных и никель-цинковых из прошлой статьи – нет. Хотя учитывая развитие техники можно было бы ожидать наличие устройств самостоятельно определяющих подключенный аккумулятор и соответственно работающих. По NiZn следует пояснить, что при их использовании устройства должно отключатся при нормальном для марганцево-цинкового элемента (для замены которого они предназначены) напряжении 1.5 В.

Для устройств не рассчитанных на работу с литиевыми аккумуляторами есть несколько вариантов использования. Самое простое заменить стандартную батарейку на литиевый аккумулятор, например, многие фонари спокойно переносят такую замену. Как вариант воспользоваться преобразователем напряжения, но лучше использовать аккумуляторы из прошлой статьи.

Появились 14500 1.5 В с уже установленным преобразователем напряжения. Элемент имеет два контакта: один рабочий в напряжением 1.5 В, другой для заряда (требуется специальное зарядное (приложив толику изобретательности можно и обычным)). ИМХО не нужны. Платы преобразователя и защиты снижают емкость и КПД аккумулятора, увеличивает стоимость при сохранении всех недостатков присущих литиевым аккумуляторам, кроме того для чувствительной техники импульсное преобразование может не зайти.

Для замены 2х последовательно подключенных марганцево-цинковых элементов прекрасно подходят LiFePO4, при этом вторую ячейку закорачивают или используется шунт. Такой производитель аккумуляторов как Soshine комплектует ферро-фосфатные аккумуляторы готовыми шунтами в виде обычного элемента.

Для замены трех последовательно подключенных стандартных элементов (3 ААА первейший признак кривого устройства, кстати) можно попробовать установить один литиевый аккумулятор подходящего размера закоротив оставшиеся ячейки. В принципе такое устройство должно работать до напряжения в 3 В, и отключатся при 2.4 (U мин. 0.8В), что идеально подходит для лития на 3.7 В. Емкость, что характерно, останется прежней или около того. Как вариант переподключить три параллельно увеличив емкость.

Успеху данного мероприятия может воспрепятствовать кривизна устройства отказывающегося нормально работать уже при напряжении на элементе в 1.5 В. Тогда остается только использовать при подключении плату преобразователя поддерживающую стабильно высокое напряжение на выходе, с сопутствующими потерями в КПД.

Какие покупать

Первое правило не покупать аккумуляторы в названии которых содержится слово fire :-). Покупать нужно только бренды, это Panasonic, Sanyo, Samsung, LG и Sony. Сегодня разница в цене между откровенным щлаком и нормальными брендами минимальна. Покупать что-то другое не имеет смысла ктроме как в цели потребительского экстремизма (см. ниже). Бренды как правило не подделывают, но бывает, кроме того могут всучить б/у оставшиеся с разборки батарей. Поэтому в выбору продавца надо отнестись серьезно.

По емкости: для 18650 максимальная емкость около 3 600 мАч (Panasonic 3600 (NCR18650G)), для 14500 около 800-900 мАч, 10440 – 350 мАч. Цифры сильно больше прямо говорят о подделке, покупка имеет смысл только если вы уверенны , что сможете вернуть стоимость аккумулятора и получить его бесплатно (для али достаточно разницы в более, чем 15% от заявленной).

Для LiFePO4 для бытового применения безальтернативно один производитель Soshine. Перемаркированные А123 Systems(?) форм-факторов 18650 (в т.ч. и защищенные), 14500, 10440.

Для справки

Емкость — количество электричества помещающегося в аккумулятор, которое он отдаст при определенном токе и за определенное время (обычно принимается количество в 1 Кл, при силе тока 1 А в течение 1 с (1 Ас = 1 Кл, 1 Ач = 3600 Кл)).

мАч и мВтч, в чем разница? Если грубо то мВтч(количество энергии) это мАч(количество электричества) умноженное на напряжение. Аккумулятор NiMH 1000 мАч будет иметь 1000*1.2=1200 мВтч, а NiZn 1000*1.6=1600 мВтч. Т.е. два аккумулятора с равной емкостью имеют разные показатели по энергии, этим и пользуются производители рисуя большие цифры.

С другой стороны именно показатель мВтч характеризует эффективность аккумулятора, и чем этот показатель больше, тем аккумулятор эффективней. Например LCO аккумулятор емкостью 350 мАч по энергоемкости эквивалентен NiMH 1000 мАч (350*3.7 ≈ 1000*1.2).

Расконсервация, она же раскачка – в составе электролита имеется консервант снижающий эффект старения при хранении аккумуляторов. Поэтому перед использованием рекомендуется произвести расконсервацию: несколько полных циклов заряд-разряд, что разрушает консервант и выводит аккумулятор на полную мощность. Если этого не делать, то возможен эффект схожий с эффектом памяти, а при больших нагрузках привести к потере свойств электролита.