Устройство li ion аккумулятора телефона
Содержание
СмартПульс – держите руку на пульсе высоких технологий! То, что доктор прописал!
Характеристики, тесты, обзоры смартфонов, планшетов, электронных книг, плееров и другой мобильной техники. Разборка, ремонт, решение проблем.
Главная -> Информация к размышлению. В кабинете патологоанатома. Вскрытие литий-ионного аккумулятора (03.12.2015)
В кабинете патологоанатома. Вскрытие (разборка) литий-ионного аккумулятора.
Сегодня на приёме у нашего патанатома литий-ионный аккумулятор Nokia BL-5B из одноименного смартфона Nokia. Аккумулятор несколько лет прослужил верой и правдой, но некоторое время назад вспучился и перестал держать заряд. Царствие ему небесное!
Воспользуемся этим несчастным случаем для пополнения копилки наших знаний об аккумуляторах. Многие интересуются, как устроен литий-ионный аккумулятор. Проведем разборку литий-ионного ( Li-ion) аккумулятора.
Так выглядит наш клиент спереди, сзади и со стороны контактов:
Сделано в Европе (Венгрия), голограмма, все дела.
Теперь – сдираем пластиковую обертку с маркировкой, и смотрим на голое тело клиента. Слабонервных, женщин и детей просим удалиться J .
Литий-ионный аккумулятор представляет собой герметичную металлическую "банку" с заводской маркировкой; сверху находится пластиковая "крышка" с контактами, а снизу – чисто декоративная "подставка".
Отдираем эти пластиковые детали, попутно разрывая контактные проводники. Они нам больше не пригодятся.
А так выглядит "банка" аккумулятора сверху:
В центре и справа банки – контакты; а слева, в виде овала с просечкой, – предохранительное "окно" (клапан). При повышении внутреннего давления оно должно лопнуть, тем самым предотвращая от взрыва весь аккумулятор в целом.
Теперь обращаем внимание, что баланс по количеству контактов – не сходится. К аккумулятору подходят 3 контакта, а к "банке" – только два! Куда делся ещё один?!
А вот посмотрите на оторванную пластиковую "крышечку" аккумулятора:
Обратите внимание на красную деталь с золотистым прямоугольником, расположенную справа. Это ни что иное, как термопереключатель ( termoswitch). Вот к нему-то и идет третий (средний) контакт аккумулятора! Другим своим контактом термосвитч соединен с "минусом" аккумулятора.
Этот термосвитч – простое механическое устройство. Внутри находится биметаллическая мембрана, которая при нагреве изгибается и замыкает контакты, сообщая тем самым "наружу" о перегреве аккумулятора.
В нормальном положении контакты – разомкнуты. Поэтому при "прозвонке" контактов может показаться, что средний контакт аккумулятора ни с чем не соединён.
Выламываем термосвитч и смотрим на его маркировку, расположенную на обратной стороне:
Таким образом, установлен тип термосвитча – L82AY.
Надо к этому добавить, что не все литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы построены по такой же схеме термозащиты. Некоторые аккумуляторы имеют не термопереключатель, а полноценный термодатчик, позволяющий измерить температуру аккумулятора. А некоторые – не имеют вообще никакого элемента контроля температуры. Такие аккумуляторы легко отличить по наличию только двух контактов на аккумуляторе (или двух проводов, идущих от аккумулятора).
Далее – спиливаем верхнюю часть "банки", и смотрим, что там внутри:
На этом фото видно, что в результате вспучивания аккумулятора отдельные слои "начинки" аккумулятора разошлись между собой.
Теперь – окончательно раздираем "банку" и достаем её "начинку":
"Начинка" аккумулятора представляет собой свернутые в рулон четыре ленты: алюминиевую фольгу со слоем пористого углерода (положительный электрод), медную фольгу (отрицательный электрод, тоже со слоем пористого углерода) и два слоя мембраны-разделителя, "прозрачного" для ионов лития. Эта конструкция очень сильно напоминает конструкцию "классического" электролитического конденсатора. Кто разбирал их – тот подтвердит, а кто не разбирал – лучше этого и не делайте: некоторые виды электролитов вредны для здоровья.
В некоторых местах межвиткового пространства заметны повреждения с вкраплениями мелких белых хлопьев:
Далее – полностью разматываем рулон аккумулятора:
Длина рулона оказалась чуть менее 50 см. Видимо, в "их" единицах измерения длина должна была составлять ровно 20 дюймов.
Итак, пора огласить итоги и выводы.
Наш клиент всю жизнь проработал в одном и том же смартфоне, и потому никогда не имел возможности нарушить режим эксплуатации. Тем не менее, и его настиг неизбежный конец в виде выхода из строя.
Таким образом, констатируем, что устройства со съемными аккумуляторами имеют преимущество перед устройствами с несъемными аккумуляторами. У последних, чтобы решить проблему с аккумулятором, для замены придется обратиться в сервис-центр. А у первых – просто вытащить старый и вставить новый аккумулятор.
СмартПульс – держите руку на пульсе высоких технологий! То, что доктор прописал!
Характеристики, тесты, обзоры смартфонов, планшетов, электронных книг, плееров и другой мобильной техники. Разборка, ремонт, решение проблем.
Главная -> Информация к размышлению. В кабинете патологоанатома. Вскрытие литий-ионного аккумулятора (03.12.2015)
В кабинете патологоанатома. Вскрытие (разборка) литий-ионного аккумулятора.
Сегодня на приёме у нашего патанатома литий-ионный аккумулятор Nokia BL-5B из одноименного смартфона Nokia. Аккумулятор несколько лет прослужил верой и правдой, но некоторое время назад вспучился и перестал держать заряд. Царствие ему небесное!
Воспользуемся этим несчастным случаем для пополнения копилки наших знаний об аккумуляторах. Многие интересуются, как устроен литий-ионный аккумулятор. Проведем разборку литий-ионного ( Li-ion) аккумулятора.
Так выглядит наш клиент спереди, сзади и со стороны контактов:
Сделано в Европе (Венгрия), голограмма, все дела.
Теперь – сдираем пластиковую обертку с маркировкой, и смотрим на голое тело клиента. Слабонервных, женщин и детей просим удалиться J .
Литий-ионный аккумулятор представляет собой герметичную металлическую "банку" с заводской маркировкой; сверху находится пластиковая "крышка" с контактами, а снизу – чисто декоративная "подставка".
Отдираем эти пластиковые детали, попутно разрывая контактные проводники. Они нам больше не пригодятся.
А так выглядит "банка" аккумулятора сверху:
В центре и справа банки – контакты; а слева, в виде овала с просечкой, – предохранительное "окно" (клапан). При повышении внутреннего давления оно должно лопнуть, тем самым предотвращая от взрыва весь аккумулятор в целом.
Теперь обращаем внимание, что баланс по количеству контактов – не сходится. К аккумулятору подходят 3 контакта, а к "банке" – только два! Куда делся ещё один?!
А вот посмотрите на оторванную пластиковую "крышечку" аккумулятора:
Обратите внимание на красную деталь с золотистым прямоугольником, расположенную справа. Это ни что иное, как термопереключатель ( termoswitch). Вот к нему-то и идет третий (средний) контакт аккумулятора! Другим своим контактом термосвитч соединен с "минусом" аккумулятора.
Этот термосвитч – простое механическое устройство. Внутри находится биметаллическая мембрана, которая при нагреве изгибается и замыкает контакты, сообщая тем самым "наружу" о перегреве аккумулятора.
В нормальном положении контакты – разомкнуты. Поэтому при "прозвонке" контактов может показаться, что средний контакт аккумулятора ни с чем не соединён.
Выламываем термосвитч и смотрим на его маркировку, расположенную на обратной стороне:
Таким образом, установлен тип термосвитча – L82AY.
Надо к этому добавить, что не все литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы построены по такой же схеме термозащиты. Некоторые аккумуляторы имеют не термопереключатель, а полноценный термодатчик, позволяющий измерить температуру аккумулятора. А некоторые – не имеют вообще никакого элемента контроля температуры. Такие аккумуляторы легко отличить по наличию только двух контактов на аккумуляторе (или двух проводов, идущих от аккумулятора).
Далее – спиливаем верхнюю часть "банки", и смотрим, что там внутри:
На этом фото видно, что в результате вспучивания аккумулятора отдельные слои "начинки" аккумулятора разошлись между собой.
Теперь – окончательно раздираем "банку" и достаем её "начинку":
"Начинка" аккумулятора представляет собой свернутые в рулон четыре ленты: алюминиевую фольгу со слоем пористого углерода (положительный электрод), медную фольгу (отрицательный электрод, тоже со слоем пористого углерода) и два слоя мембраны-разделителя, "прозрачного" для ионов лития. Эта конструкция очень сильно напоминает конструкцию "классического" электролитического конденсатора. Кто разбирал их – тот подтвердит, а кто не разбирал – лучше этого и не делайте: некоторые виды электролитов вредны для здоровья.
В некоторых местах межвиткового пространства заметны повреждения с вкраплениями мелких белых хлопьев:
Далее – полностью разматываем рулон аккумулятора:
Длина рулона оказалась чуть менее 50 см. Видимо, в "их" единицах измерения длина должна была составлять ровно 20 дюймов.
Итак, пора огласить итоги и выводы.
Наш клиент всю жизнь проработал в одном и том же смартфоне, и потому никогда не имел возможности нарушить режим эксплуатации. Тем не менее, и его настиг неизбежный конец в виде выхода из строя.
Таким образом, констатируем, что устройства со съемными аккумуляторами имеют преимущество перед устройствами с несъемными аккумуляторами. У последних, чтобы решить проблему с аккумулятором, для замены придется обратиться в сервис-центр. А у первых – просто вытащить старый и вставить новый аккумулятор.
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили.
Содержание
История [ править | править код ]
Впервые принципиальная возможность создания литиевых аккумуляторов на основе способности дисульфид титана или дисульфид молибдена включать в себя ионы лития при разряде аккумулятора и экстрагировать их при зарядке была показана в 1970 году Майклом Стэнли Уиттингемом. Существенным недостатком таких аккумуляторов являлось низкое напряжение – 2,3 В и высокая пожароопасность вследствие образования дендритов металлического лития, замыкающих электроды.
Позднее Дж. Гуденафом были синтезированы другие материалы для катода литиевого аккумулятора – кобальтит лития LixCoO2(1980 год), феррофосфат лития LiFePO4 (1996 год). Преимуществом таких аккумуляторов является более высокое напряжение – около 4 В.
Современный вариант литий-ионного аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальтита лития изобрёл в 1991 году Акира Ёсино. Первый литий-ионный аккумулятор по его патенту выпустила корпорация Sony в 1991 году.
В настоящее время ведутся исследования по поиску материалов на основе кремния и фосфора, обеспечивающих повышенную емкость интеркалирования ионов лития и по замене ионов лития на ионы натрия.
Нобелевская премия по химии 2019 года была вручена троим перечисленным выше учёным "За создание литий-ионных батарей".
Характеристики [ править | править код ]
Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:
- напряжение единичного элемента:
- максимальное: 4,2 В (или 4,35/4,40 В для высоковольтных); [3]
- минимальное: 2,5 В (или 2,8/3,0 В для высоковольтных);
- удельная энергоёмкость: 110…270 Втч/кг; [4]
- внутреннее сопротивление: 4…15 мОм/Ач; [5]
- число циклов заряд/разряд до снижения ёмкости до 80 %: 600;
- время быстрого заряда: 1 час;
- саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25 °C и заряде 100 % ≈1,6 % в месяц;
- токнагрузки относительно ёмкости С представленной в А·ч:
- постоянный: до 5С;
- импульсный: до 50С;
- оптимальный: до 1С;
- диапазон рабочих температур: от −20 °C до +60 °C (оптимальная +20 °C);
- кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
- литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
- литий-феррофосфат LiFePO4.
- Высокая энергетическая плотность (ёмкость). [источник не указан 651 день]
- Низкий саморазряд.
- Высокий ток работы
- Не требуют обслуживания.
- Огнеопасны
- Теряют работоспособность при переразряде
- Теряют ёмкость на холоде
- От 200 до 500 циклов зарядки
Часто в корпус аккумулятора встраивают контроллер защиты (или PCB-плата (англ. Protection Circuit Module )), который отключает аккумулятор, предотвращая превышение напряжения заряда, чрезмерный разряд и превышение температуры, приводящие его к преждевременной деградации или разрушению. Также этот контроллер может опционально ограничивать ток потребления. Тем не менее, надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения стоимости производители могут не устанавливать её. Кроме того, в устройствах в которых встроен контроллер защиты, а также в аккумуляторных батареях (к примеру ноутбуков) используются только аккумуляторы без встроенной платы защиты [6] .
Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких ячеек последовательно. Зарядные устройства для таких многосоставных аккумуляторов с ячейками или сами аккумуляторные батареи снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства ячеек могут немного отличаться, и какая-то ячейка достигнет полного заряда/разряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой ячейки, продолжая заряжать остальные, так как переразряд или перезаряд литий-ионных аккумуляторов выводит их из строя. Эту функцию выполняет специальный узел — балансир [en] (или BMS-плата (англ. Battery Management System ) [7] ). Он шунтирует заряженную ячейку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё. Балансиры одновременно выполняют функцию платы защиты в отношении каждого из аккумуляторов, так и батареи в целом [8] [9] .
Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,15—4,25В.
 Внешние изображения |
|
|---|---|
| Варианты Li-ion аккумуляторов с напряжением 1,5 В | |
 |
Со встроенным контроллером и разъёмом микро-USB [10] [11] |
|
С двойным преобразованием напряжения (при зарядке/разрядке) и требующие специального зарядного устройства [12] [13] [14] |
|
С двойным положительным контактом: 1,5 В — центральный рабочий, 3,7 В — по периферии для зарядки специальным зарядным устройством либо через переходник (желобчатый или трубчатый) зарядным устройством для Li-ion [15] [16] |
Кроме контроллера защиты, литий-ионные, а также литий-полимерные аккумуляторы выпускаемые в формфакторах АА и ААА с напряжением 1,5 В (не следует путать с аналогичного размера формфакторами 14500 и 10440 напряжением 3,7 В, а также с незаряжаемыми одноразовыми литиевыми элементами питания напряжением тоже 1,5 В) оборудуются встроенными электронными преобразователями напряжения. Отличие таких аккумуляторов — стабилизированное напряжение на выходе на контактах в 1,5 В независимо от рабочего напряжения самой ячейки аккумулятора и его моментальное обнуление, когда напряжение самой литиевой ячейки становится ниже допустимого (срабатывает плата защиты).
Устройство [ править | править код ]
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.
Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.
В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:
Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:
Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).
Преимущества [ править | править код ]
Недостатки [ править | править код ]
Широко применяемые литий-ионные аккумуляторы при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными.
Взрывоопасность [ править | править код ]
Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда. [ источник не указан 530 дней ]
Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию. [17] [18] [19] Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова, что может приводить к тяжким последствиям. [20] Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте. [21] [22]
Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддается тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или поврежденного аккумулятора происходит не только выделение запасенной электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих вещества для поддержания горения, горючие газы от электролита [23] , а также в случае не LiFePO4 электродов [24] , выделяется кислород. Потому вспыхнувший аккумулятор способен гореть без доступа воздуха и для его тушения непригодны средства изоляции от атмосферного кислорода. Более того, металлический литий активно реагирует с водой с образованием горючего газа водорода, потому тушение литиевых аккумуляторов водой эффективно только для тех видов аккумуляторов, где масса литиевого электрода невелика. В целом тушение загоревшегося литиевого аккумулятора неэффективно. Целью тушения может быть лишь снижение температуры аккумулятора и предотвращение распространения пламени [25] [26] [27] .
Эффект памяти [ править | править код ]
Традиционно считается, что, в отличие от Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторы полностью избавлены от эффекта памяти. По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) в 2013 году этот эффект был таки обнаружен, но оказался ничтожен. [28]
Причиной его является то, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки. [29] Во время зарядки ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряжание батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарного напряжения батареи. Если батарея не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть. При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.
В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.
Требования к режимам заряда/разряда [ править | править код ]
Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше установленных производителем. Крайне чувствительны они и к напряжению зарядки. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Поэтому увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз. Это отрицательно сказывается на аккумуляторе. Он может перегреваться и деградировать [30] .
Старение [ править | править код ]
Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Соответственно, нет смысла покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.
Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C: [31]
| Температура, ⁰C | С 40%-м зарядом, % за год | Со 100%-м зарядом, % за год |
|---|---|---|
| 2 | 6 | |
| 25 | 4 | 20 |
| 40 | 15 | 35 |
| 60 | 25 | 40 % за три месяца |
Снижение ёмкости при низких температурах [ править | править код ]
Как и в других типах аккумуляторов, разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на
5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов. Разряд аккумулятора при температуре не ниже, указанной производителем аккумуляторов, не приводит к их деградации (преждевременному исчерпанию ресурса). Химия литий-ионных аккумуляторов более чувствительна к температурам при зарядке АКБ, и оно оптимально при температурах
+20 ⁰C, а при температурах ниже +5 ⁰C не рекомендовано. [32]
Как и для других типов аккумуляторов, одним из вариантов решения проблемы являются аккумуляторы с внутренним подогревом. [33]
