+7 800 100-2166
+7 495 369-3005
Москва, Варшавское ш, д 42

Литиевая энергия

литиевые аккумуляторы

Литиевые аккумуляторы


Внимательно прочтите эти правила перед использованием батарей!

Литий - наиболее легкий металл, он вдвое легче воды и всплывает даже в керосине. Одновременно с этим, литий обладает огромным электрохимическим потенциалом, что делает его одним из самых активных металлов. Это свойство лития дает возможность создавать на его основе батареи и аккумуляторы с очень высокой плотностью энергии при минимальных размерах и массе.

Преимущества, которыми обладают литиевые аккумуляторы

Еще одно преимущество литиевых аккумуляторов - очень низкий ток саморазряда. Это означает, что батарея может пролежать "на полке" или в выключенном приборе на годы дольше щелочных батареек. Для литиевых аккумуляторов это означает, что в малопотребляющих приборах не придется периодически подзаряжать аккумулятор (что придется сделать с никель-металлгидридными (NiMh), никель-кадмиевыми (NiCd) или свинцовокислотными (Lead Acid) аккумуляторами), или придется это делать намного реже.

Литиевые аккумуляторы также обладают еще одним важным преимуществом - они практически не теряют емкость при отрицательных температурах: большинство выпускаемых батарей спокойно работают от -40° а некоторые типы - от -60°. В условиях русской зимы и особенно Крайнего севера - литиевые батареи незаменимы.

Все эти параметры становятся особенно важными при использовании в устройствах выживания - к примеру, в фонарях, аварийных маячках или рациях.
Можно один раз "заправить" фонарь комплектом литиевых батарей, и более десяти лет не беспокоиться о том, что батареи (или аккумуляторы) разрядились, и требуют замены.

При этом, они легче других батарей, работают дольше, и не теряют емкость при отрицательных температурах.

Литиевые батареи и аккумуляторы производятся с разнообразными химическими формулами, что дает разное рабочее напряжение и энергоемкость.

Наиболее распространены:
  • Li-MnO2 (батареи с префиксом "CR").
    Номинальное напряжение: 3В.

    Наиболее распространенный вид литиевых батарей. К батареям такого типа относятся, например, батареи CR123 или CR2. Батарея такой системы обладает большой емкостью, может отдавать большой ток, обладает широким температурным диапазоном (от -40 до +60).
    К батареям этого типа относится также совместимая батарея типа "Корунд" (тип ISO "1604") напряжением 9В, которая физически состоит из трех элементов (обычные щелочные - из 6)

  • Li-FeS2 (литий-железодисульфидные батареи)
    Номинальное напряжение: 1.5В.

    Современные литиевые батареи, призванные заменить традиционные щелочные и солевые батарейки.
    Напряжение 1.5В позволяет напрямую вставлять их в приборы, предназначенные для работы с обычными батарейками.

    При этом за счет литиевой химии, они обладают преимуществами по сравнению с щелочными батареями и Ni-Mh аккумуляторами:
    • Работают до 3-4 раз дольше. Литиевые батареи АА обладают эффективной емкостью 2900 мАч.
    • Имеют массу на 35% меньше.
    • Могут отдавать большой ток, что делает их применение возможным в "прожорливых" устройствах.
    • Рабочий температурный диапазон - от -40° до +60°
    • Низкий саморазряд: срок хранения - более десяти лет.

    К недостаткам можно отнести сравнительно высокую цену, но наращивание объемов производства таких батарей с каждым годом сокращает разрыв цены с щелочными батареями, и для работы в устройствах с большим энергопотреблением покупать такие батареи выгоднее, чем щелочные.

  • Li-Ion (литий-ионные батареи (аккумуляторы))
    Номинальное напряжение: 3.6-3.7В.

    В этих элементах металлический литий заменен на ионы лития, что сделало батарею более безопасной. Эти батареи являются перезаряжаемыми (аккумуляторами).

    В отличие от аккумуляторов других систем, они не подвержены "эффекту памяти", и обладают превосходными энергетическими характеристиками.
    Саморазряд этих батарей - около 5% в месяц, по сравнению с 30% Ni-Mh аккумуляторов (новейшие типы Ni-Mh аккумуляторов имеют более низкие, чем 30%, токи саморазряда), и 10% Ni-Cd.
    Однако, литий-ионные аккумуляторы теряют емкость по мере старения, вне зависимости от заряда и количества циклов заряда-разряда. В среднем, это старение составляет около 20-30% в год, и усиливается при высоких температурах.

Сильная электрохимическая активность лития, наряду с огромным энергетическим потенциалом, создает дополнительные инженерные проблемы производителям батарей. Например, литий вступает в сильную реакцию с водой, с образованием щелочи и водорода.

Как известно, водород в смеси с кислородом воздуха, при определенной пропорции смеси, становится взрывоопасным. А тепло, выделяющееся при реакции, может воспламенить эту смесь.
Впрочем, эта проблема присуща также и свинцовокислотным аккумуляторам.
По этой причине все литиевые элементы упаковываются в герметичную оболочку.

В высокоэнергетических литиевых батареях и литий-ионных аккумуляторах при коротком замыкании или неправильной эксплуатации повышается температура и давление. Поэтому в конструкцию элементов добавляют предохранительные клапаны и контакты ("PTC" - Positive Temperature Coefficient), размыкающиеся при повышении температуры. Эти меры позволяют предотвратить взрыв батарей, при неправильном с ними обращении.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы очень чувствительны к процессу заряда и разряда, поэтому в 99% случаев вместе с собственно элементом питания в батарее присутствует также и плата электроники, которая следит за "здоровьем" батареи, контролирует процесс заряда, разряда, а также предотвращает взрыв при коротком замыкании или превышении тока заряда.

Именно поэтому большинство литий-ионных аккумуляторов имеет не два, а три или четыре контакта - через дополнительные контакты микроконтроллер платы защиты общается с основным устройством.

Использование незащищенных литий-ионных аккумуляторов не рекомендуется по следующим причинам:
  • Короткое замыкание, неправильная полярность, превышение напряжения или тока заряда могут вызвать взрыв.
  • Слишком сильный разряд аккумулятора "убьет" его, сделав невозможным его дальнейшее использование. Не все устройства содержат защиту от глубокого разряда вставленных в них аккумуляторов. Обычно критическое напряжение глубокого разряда составляет 2.4-2.7В, в зависимости от химической формулы.

Меры предосторожности при работе с литиевыми аккумуляторами.


Проведенные исследования режимов эксплуатации на пожаро- и взрывобезопасность, а также миллиарды использованных литиевых батарей (в том числе батареи Вашего мобильного телефона, плеера, компьютера и т.п.), установили, что современные конструкции литиевых элементов практически безопасны при их правильной эксплуатации, и более того - вполне рассчитаны на "дурака".

Но, следуя принципу "предупрежден - значит вооружен", мы публикуем основные моменты работы с литиевыми батареями. В общем-то все, написанное ниже, применимо и обязательно для выполнения при использовании и обычных щелочных батареек. (и всегда пишется на упаковке)

Используя в бытовой технике батареи и аккумуляторы литиевой системы, вы должны осознавать, что их повышенные по сравнению с щелочными батареями и Ni-Mh аккумуляторами потребительские свойства - энергоемкость, масса - взяты не "с потолка", а являются следствием использования более активного материала.

Как показывает практика, потребители редко читают инструкцию по эксплуатации батарей и аккумуляторов, и еще реже её соблюдают, надеясь на русский "авось".

И хотя правила эксплуатации литиевых батарей ничем не отличаются от правил эксплуатации щелочных батарей и других аккумуляторов, их соблюдение особенно важно, т.к. несоблюдение может привести к более серьезным последствиям.

Итак:
  • Не перезаряжать, не нагревать.

    В литиевой батарее есть т.н. пассивирующий слой на литиевом аноде. Эта защитная пленка соединений лития, в обычных условиях, препятствует прямым химическим реакциям металлического лития с электролитом и основными продуктами реакции. Зарядка литиевых батарей (не аккумуляторов, а именно неперезаряжаемых батарей, к примеру CR123) разрушает эту пленку и категорически запрещена. Это приводит к высвобождению и накоплению в батарее металлического лития, его реакции с электролитом, росту температуры и давления, и, как следствие, утечке токсичного газа (через предохранительный клапан), электролита, и может привести к воспламенению или взрыву батареи.
    К этому также может привести закорачивание батареи или её нагревание. К батарее нельзя припаивать провода бытовыми паяльниками и паяльными станциями - это нарушит или сплавит защиту от перегрева батареи, и она станет небезопасна. Нельзя оставлять батарею под прямыми солнечными лучами.
    То же самое относится к превышению тока заряда и напряжения заряда литиевых аккумуляторов. Используйте только качественные зарядные устройства, не стоит подключать "вот эту батарейку" к "вон тому заряднику" от "вон того прибора". Это опасно.


    Некоторые компании даже выпускают спец. оболочки-пакеты для зарядки литиевых элементов на предельных режимах:
  • Не смешивать бывшие в употреблении и новые батареи; батареи разных типов или производителей.


    Установка элементов с разным напряжением (например, новый и бывший в употреблении) приведет к тому, что один элемент (новый) будет стремиться отдавать больший ток, и станет заряжать другой (старый). Батареи разных производителей, во-первых, могут иметь разное внутреннее сопротивление, а во-вторых, незначительно отличающийся химический состав. По описанной в п.1 схеме, и то, и другое может привести к взрыву.
    Согласно исследованиям, смешивание Б/У и новых батарей или батарей разных производителей, явилось причиной №1 случаев возгорания и взрыва литиевых батарей в фонарях и других приборах. Наихудшее с точки зрения безопасности соотношение - это использование новой батареи и на 20% использованной. И хотя таких случаев зарегистрировано менее десяти на сотни тысяч случаев беспроблемного использования, делать этого не стоит.

  • Не разбирать, не сжигать, не использовать батареи со следами повреждений или протечек.

    Прокол элементов или смятие может привести к внутреннему короткому замыканию, с последующим возгоранием и взрывом; Расплавление лития от высокой температуры также приводит к взрыву.
    При разгерметизации внутрь элемента может попасть вода или сконденсироваться атмосферная влага, что может привести к реакции с выделением водорода и возгоранию.

  • Не закорачивать. Соблюдать полярность.


    При разряде большими токами или коротком замыкании из-за некоторой неоднородности структуры батареи и наличия примесей могут возникать локальные "горячие точки", которые лавинообразно вызывают разогрев всей батареи.
    Результат - взрыв.

  • Не утилизировать с бытовыми отходами.

    Хотя это общепринятая практика в нашей стране, но, вопреки ей, элементы питания нельзя выкидывать вместе с бытовым мусором.

    К примеру, остатки соленой воды в кухонных отходах могут закоротить элемент.

    И хотя у нас не создано никаких условий для правильной утилизации таких отходов - позаботьтесь хотя бы о том, чтобы литиевый элемент не контактировал с другими отходами.
    Например, поместив его в индивидуальный полиэтиленовый пакет, и завязав его.


  • Хранить в сухом, прохладном месте.

    Влага, кроме прямого закорачивания контактов, может вызвать коррозию внешней оболочки батареи, заткнуть вентиляционные клапаны или нарушить герметичность. Батарею с признаками коррозии использовать нельзя.
    Высокая температура, близость к батареям отопления, духовым шкафам, печным трубам или прямые солнечные лучи могут вызвать повышение давления внутри батареи.

Современные литиевые батареи содержат множество элементов конструкции, которые призваны повысить степень защиты - сбросить нарастающее давление, разъединить электрическую цепь при превышении тока или температуры, а также разнообразную защитную электронику, но их лучше рассматривать как средства "последнего эшелона", и надеяться не на них, а на разумное соблюдение правил безопасности.

Соблюдение этих правил почти наверняка избавит вас от неприятных моментов использования литиевых батарей. И хотя случаи возгорания или взрыва батарей в фонарях очень редки (в Интернет-сообществе описано менее 10 случаев за все время на весь мир), мы считаем важным упомянуть основные сценарии развития событий.

  • В большинстве редких случаев возгорания литиевых батарей в фонарях, фонарь "тухнет" или теряет яркость на сравнительно свежем комплекте батарей. В любом случае, это должно вас насторожить.
    Часто после этого, иногда через значительное время (20-30 мин.) слышится шипение клапана сброса давления батареи. Если вы слышите шипение этого клапана или фонарь неожиданно потускнел или нагрелся - ни в коем случае не направляйте фонарь стеклом или торцом к себе.
    Настороженность также должно вызвать ненормальное для данного режима работы фонаря нагревание батарейного отсека, особенно в выключенном состоянии (выше 60-70 градусов).
    При возникновении описанных симптомов - если фонарь у вас в руках - немедленно выключите его и положите подальше от людей, домашних животных и легковоспламеняемых предметов.
    Если фонарь не в руках - не подходите к нему как минимум 3-4 часа.

    Шипение клапана сброса давления часто сопровождается выделением едкого белого дыма с характерным "электрическим" запахом. Этот дым токсичен - старайтесь не вдыхать его и проветрить помещение.
    Если из батареи вылился электролит - не допускайте его контактов с кожей.
    Пролитый электролит следует засыпать пищевой содой или опилками, и вытереть насухо.
    Взрыв батареи иногда происходит через 1-2 секунды, а иногда через 20-30 минут после шипения клапана.
    При возгорании и взрыве литиевых батарей запрещается тушить их углекислотными огнетушителями: литий бурно реагирует с углекислотой.
    Эффективно применение порошковых огнетушителей (напр. ОП-10).

    Тушение горящих элементов и их обломков можно производить, накрывая очаги горения плотной термостойкой тканью (асбестовым полотном).
    Можно тушить сухим песком, покрывалом, сухой поваренной солью.
    Вода неэффективна при тушении горящего лития, и предотвращает главным образом распространение пожара. Наоборот, реакция лития с водой может вызвать выделение водорода, который усилит горение.

    Не берите в руки фонарь, обломки или батареи ранее, чем через несколько часов после прекращения любых проявлений реакции. Не приближайтесь к взорвавшимся или вытекшим батареям, пока они не остынут.

    Защищайте кожу от контактов с электролитом резиновыми перчатками.

    Засыпьте батареи, а также обломки, пищевой содой, для нейтрализации электролита. Поместите в полиэтиленовый пакет и утилизируйте.

    Помните телефон пожарной охраны: В России это 101, или 112, или 911 (с мобильного телефона).

  • Чаще взрываются фонари на двух CR123-элементах (в большинстве случаев ксеноновые, а не светодиодные), чем на одном. Поэтому при использовании фонаря, работающего на двух элементах, старайтесь или использовать защищенный аккумулятор 18650 или 17670, если он допустим конструкцией фонаря, или особенно тщательно подходите к вопросу выбора пары батарей. Старайтесь ставить вместе батареи из одной партии.
    Если у вас есть возможность измерить внутреннее сопротивление батарей - старайтесь совмещать батареи по внутреннему сопротивлению.

    Естественно, ни в коем случае не ставьте разные батареи или использованные совместно с новыми.
  • Чаще взрываются фонари на галогеновых (ксеноновых галогенных) лампах без электроники, чем светодиодные с электроникой. Причина - описанные выше в п.4 "горячие точки", которые возникают при неконтролируемом разряде большим током.
  • Старайтесь использовать качественный фонарь, нежели безымянный.
    Плохая конструкция и используемые материалы могут служить причиной закорачивания батарей. Особенно это относится к дешевым галогеновым фонарям на элементах CR123.
    Старайтесь использовать водонепроницаемый фонарь - это также предотвратит нештатные ситуации при использовании литиевых батарей.
  • Старайтесь использовать алюминиевый фонарь, нежели пластиковый.
    Пластиковый фонарь может разлететься в непредсказуемых направлениях.
    У алюминиевых фонарей "вышибает" стекло и торцевую кнопку (если такая есть). Так что, при взрыве в руке в большинстве описанных случаев (3 случая) обошлось без травм.
    Одновременно, пластиковый корпус менее стоек к разогреву батарей и может обеспечить меньше защиты батареям от внешнего тепла.
А остальные миллиарды случаев успешного использования литиевых батарей без каких-либо эксцессов подтверждают: за этими элементами ближайшее будущее. И если век топливных или био-элементов еще не наступил, то для лития - самое время.
В реальности же с безопасностью дело обычно обстоит так:

Ссылки по теме:

Статья про элементы питания на HPC.RU
Лабораторные опыты по Химии, видео: реакция лития с водой (опыт 12)
Реакция лития с водой, видео (другой опыт)
Статья на сайте FlashLightReviews про батарейки вообще(англ.)
Статья на сайте FlashLightReviews про батарейки подробнее(англ.)
Статья на сайте FlashLightReviews про взрывы батарей (англ.)
Сравнение разных типов и марок батарей (с графиками)
Взаимодействие щелочных металлов с водой (передача "Мозголомы"), видео