Практически любое современное электронное устройство с возможностью автономной работы имеет “на борту” литий ионный аккумулятор. Такие аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед предыдущим поколением Ni-Cd и Ni-MH элементов. Самое главное из них – не нужен полный цикл (заряд-разряд), что очень удобно для пользователя. Любое из таких бытовых устройств комплектуется зарядным устройством. Достаточно подключить его к сети, и через несколько часов устройство заряжено. Но бывают неприятные моменты, когда батарея категорически отказывается “брать заряд” или процесс проходит нормально, но устройство “мало держит”. Причины могут быть разные.
В статье пойдет речь о том, как правильно заряжать литий ионные аккумуляторы.
Конструкция литиевой батареи
По своему внешнему виду li-ion аккумуляторы бывают двух видов. Цилиндрические элементы (на фото, внешне напоминают обычную одноразовую батарейку) и призматические (плоский прямоугольник, например в любом мобильном телефоне).
Конструктивно батарея представляет собой два электрода (плюсовой на основе кобальтата лития и минусовой на основе графита) и пористого сепаратора, который пропитан электролитом.
Химической реакции в чистом виде не происходит. Переносчики заряда ионы лития, которые внедряются в кристаллическую решётку других материалов.
В зависимости от места использования, производители оснащают батарею защитным клапаном, пластиной термической защиты или электронной платой (или все эти устройства вместе).
Как заряжать литий ионный аккумулятор
Если действовать скрупулёзно и правильно заряжать li ion, заряд должен быть разбит на три этапа.
Первый этап (только в случае глубокого разряда аккумулятора ниже 2,9v) –заряд небольшим током. После выхода на номинальное напряжение выше 3,2v идёт второй основной этап зарядки. Этот этап продолжается до набора напряжения 4,2v. После чего третий этап. Зарядка при стабилизированном напряжении 4,2v минимальными токами.
Внимание! Максимальное напряжение заряда 4,2v. Подача на аккумулятор без защиты более высокого напряжения в течение длительного времени, приводит к его выходу из строя либо возгоранию.
Каким током заряжать li ion аккумулятор? Ток зарядки аккумулятора обозначают в количестве единиц “С”. В этом случае буква “С”- ёмкость батареи. Первый этап 0,1-0,2С, второй этап 0,2-1C, третий 0,1С. Бросается в глаза большой разброс тока при основном заряде аккумулятора-втором этапе. Единого мнения здесь нет. Общее правило — чем меньше, тем лучше. Ток заряда 0,2-0,5С считается номинальным режимом зарядки, ток 0,5-1С – ускоренным режимом.
Например: Ёмкость 2000mAh. Номинальный ток заряда на втором основном этапе 400-1000mA, ускоренный 1000-2000mA. Время заряда в первом случае составит 2-5 часов, во втором 1-2 часа.
Здесь указано фактическое время заряда. Ёмкость делим на ток заряда и добавляем 20% на потери. Так происходит потому, что первый этап занимает несколько минут, а третьим производители пренебрегают. Объяснение этому факту простое. Если заряжать аккумулятор на все 100%, срок его службы сокращается. Заканчивая же заряд вторым этапом, получаем приблизительно 85% от номинальной ёмкости и повышенный срок эксплуатации.
Важно! В процессе заряда температура аккумулятора повышается на 5-10 градусов. Сильный же нагрев батареи говорит о её неисправности и опасности дальнейшей эксплуатации.
Зарядные устройства начального уровня
Простейшее зарядное устройство для лития выглядит приблизительно так. Достаточно простой режим заряда позволил реализовать все необходимые функции в одной маленькой микросхеме. Это микросхема TP4056. Она автоматически включает первый этап заряда при сильно разряженном аккумуляторе. В случае же напряжения на выводах больше 2,9v, автоматически включается второй этап. После доведения аккумулятора до напряжения 4,2v происходит отсечка тока заряда. Светодиодная индикация сигнализирует о текущем состоянии (красный светодиод – заряд, зелёный – готово ).
Для удобства добавлены входные и выходные площадки для распайки, разъем micro USB для подачи входного напряжения от любого блока питания с таким разъёмом и сменный резистор, перепаяв который, можно ограничить ток зарядки.
Все остальные недорогие зарядные устройства устроены приблизительно так же. Независимо от того, насколько красив у них корпус или упаковка. Приблизительно такая же схема реализована в любом мобильном телефоне, планшете, смарт-часах и т.п. Для заряда таких устройств достаточно соблюдать простые правила:
- заряжать только штатным (оригинальным) зарядным устройством. При подключении чужой зарядки, скорее всего ничего плохого не случится, но время заряда может быть резко больше или же аккумулятор просто откажется заряжаться;
- подключать такую электронику для подзарядки не дожидаясь полного разряда. Это существенно увеличит срок службы батареи;
- не заряжать при минусовых температурах. Диапазон температуры при заряде от 0 до +45 градусов Цельсия;
- при предполагаемом длительном неиспользовании электронного устройства, аккумулятор необходимо зарядить;
- при сильном нагреве корпуса (выше 50 градусов) прекратить заряд.
Обратите внимание! То, что мы в быту называем “зарядкой” для телефона, планшета, ноутбука и т.д. , на самом деле не является зарядным устройством. Это простой блок питания. Его задача заключается в том, чтобы подать на вход электронного устройства нужное напряжение. Зарядное устройство встроено в сам телефон, планшет и т.п.
Продвинутые зарядные устройства
Если аккумулятор является съёмным (фонарь, электронная сигарета и т.п. ) рекомендуется приобрести более продвинутое зарядное. Производителей много. Но все они используют одну и ту же электронику, так что функционал практически одинаковый. На фото дисплей такого зарядного. По каждому каналу оно выводит вот такую информацию.
Напряжение аккумулятора (как правило, по напряжению идёт автоматическое определение типа аккумулятора), ток заряда (можно выбрать 3-4 режима), режим заряда (можно выбрать заряд, тест и т.д.), время заряда, ёмкость аккумулятора и важный параметр – внутреннее сопротивление (на фото справа внизу 35 микроом).
Внутренне сопротивление — параметр, позволяющий за несколько секунд определить, насколько работоспособен аккумулятор. Если этот показатель выше 100, не стоит ждать стабильной работы. Такая банка сможет работать только при малых токах нагрузки и непродолжительное время.
Замер корректен только при первоначальной установке в зарядное устройство. При увеличении степени заряженности и температуры аккумулятора, показатель внутреннего сопротивления меняется в лучшую (меньшую) сторону.
Важно! Невозможно корректно измерить внутреннее сопротивление с помощью зарядных устройств, предполагающих подключение шлейфа. Кроме того, на любом зарядном не будет корректен показатель в случае, если дополнительно установлена плата защиты.
С точки зрения физики процесса, такие зарядные выполняют те же действия. Тот же первый-второй этап заряда. Но возможность выбора тока заряда, тестирования и хорошая визуализация результатов (ёмкость и внутреннее сопротивление) позволяют более комфортно и правильно заряжать литий ионные аккумуляторы.
Заряд батарейных блоков
Если в устройстве используется не один аккумулятор, а батарейный блок, схема заряда предполагает, что каждый элемент блока будет заряжаться отдельно. В этом случае в самой батарее установлена плата контроллера, обеспечивающая такую индивидуальную зарядку каждому элементу.
Случается, что производители откровенно игнорируют такую необходимость при зарядке батарейных блоков (например, почти все изделия “power bank”). Это существенно снижает общую ёмкость такой сборки и срок её службы.
Блоки ноутбуков
Почти все производители ноутбуков искусственно ограничивают срок службы батарей. Чаще всего используется электронный “счётчик циклов”. После достижения определённого значения, батарея блокируется. 1 цикл = 1 включение ноутбука. Если ноутбук используется по большей части в качестве настольного ПК, рекомендуется снять батарею и устанавливать её в отсек только по мере необходимости.
Разряд
По умолчанию максимальный разрядный ток составляет 2С. Но существует линейка Li ion с большой токоотдачей. В этом случае нагрузка может быть 10-30С. Маркируются такие банки, как правило, буквами “INR”, но у некоторых производителей маркировка иная. Так что, если есть планы сильно нагружать батарею, необходимо изучить “даташит”. Если эта модель такую нагрузку не допускает, от затеи лучше отказаться.
Разряжать Li-ion можно до состояния 10-20% заряда. В таком режиме батарея прослужит 1000 и более циклов. Если же разряжать аккумулятор полностью, количество циклов существенно снижается до 400-600.
Самое плохое, что можно сделать, полностью разрядить аккумулятор и оставить его хранится в таком виде на длительное время. С большой долей вероятности после такого хранения встанет вопрос о его замене. В заряженном состоянии литиевые аккумуляторы хранятся несколько лет. Потеря энергии за год в зависимости от температуры воздуха 10-20%.
Причины “плохой” работы аккумулятора
Не всегда уменьшение времени работы батареи связано с её деградацией. Существует ещё несколько причин, на которые нужно обратить внимание.
- Работа софта телефона, планшета и т.д. Необходимо проверить, не прописался ли в системе вирус или другой вредоносный софт. Включение-выключение геолокации тоже сильно влияет на время работы батареи.
- Зарядное устройство. Используется штатное или “аналог”. В последнем случае попробовать другое зарядное устройство.
- Соединительный шнур. Да, такая “мелочь” может привести к неполному заряду. Скрытые обрывы – это очень частое явление.
- Неисправность внутреннего контроллера батареи. Визуально это не определить. Поможет специалист.
- Деградация самой батареи.
Конечно, пункт 5 – это приблизительно 70% случаев. Но не забываем и об остальных 30%. Проверить большинство вариантов несложно.
Меры безопасности
Сами по себе элементы, собранные по технологиям ионов лития, достаточно безопасны. Времена, когда такой аккумулятор мог взорваться в руках при большой нагрузке, остались в прошлом. Исключение, недавние события, когда один известный производитель в маркетинговых целях продвигал систему сверхбыстрой зарядки своих телефонов. Но определённые меры безопасности соблюдать нужно.
- категорически запрещается заряжать одноразовые литиевые элементы, т.е. первичные батарейки. Например, в форм-факторе 14500 (для обычной батарейки АА) выпускаются как аккумуляторы, так и батарейки системы Li-SOCl2. Они имеют очень похожую маркировку. Всегда следует убедится, что будет заряжаться именно аккумулятор;
- не следует пытаться разобрать литиевую батарею или прокалывать и стравливать давление у “надувшегося” элемента (неисправен клапан давления). Возгорание маловероятно, но сильный нагрев и вытекание электролита почти наверняка;
- при заряде многофункциональными зарядными устройствами с заданием параметров вручную, запрещено подавать на li ion без защитных плат (например, внутренние банки мобильных телефонов) напряжение более 5 вольт. Высокая вероятность возгорания батареи. При подобном заряде цилиндрического элемента (в любом из них есть защитная механическая пластина) он просто выйдет из строя;
- при авиаперелётах не помешает уточнить правила провоза батарей. Сейчас обычно разрешён провоз исключительно в салоне (не в багаже) аккумуляторов внутри той или иной техники. Политику провоза сменных (запасных) батарей необходимо уточнять;
- в случае попадания электролита на кожу, необходимо промыть этот участок под проточной водой.
При расчётных режимах работы, литий ионные аккумуляторы являются надёжным и долговечным источником энергии. Используя оригинальные зарядные устройства и отдавая предпочтение режиму заряда от 10-20% остаточного заряда, можно существенно продлить их срок службы. На “сегодня” это самый массовый тип автономного питания, как в бытовой электронике, так и в промышленных системах.
