О жизни и здоровье литий-ионных батарей

Портативная техника правит бал в нашем динамичном мире. Она незаменима, когда нужно постоянно быть в курсе событий или оперативно управлять бизнесом, да и просто помогает скоротать время в очереди, пробке, общественном транспорте. И даже дома мы часто слушаем музыку с помощью МР3-плеера и просматриваем новости или прогноз погоды на легком мобильном гаджете, ведь с ним так удобно устроиться на диване. Все это было бы невозможно без автономных источников питания, которые, пусть и ненадолго, избавляют от необходимости находиться вблизи розетки.

Наиболее распространены в современной электронике литий-ионные аккумуляторные батареи. Они вполне надежны и безопасны, имеют хорошее соотношение габаритов, емкости и цены. Однако есть множество факторов, способных значительно сократить срок их службы и даже привести к необратимым повреждениям.

Краткая история

Первый серийный литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 г. На тот момент уже существовали батареи с положительным электродом из лития, но их широкому распространению мешала чрезмерная химическая активность данного материала. Нередки были случаи их возгораний и взрывов вследствие внутренних коротких замыканий. Инженеры Sony заменили металлический литий его ионной формой (кобальтатом лития, LiCoO2) и снабдили каждый аккумулятор электронной схемой управления и защиты BMS (Battery Management System), которая контролировала режимы заряда/разряда и обеспечивала безопасность эксплуатации. Несмотря на постоянные поиски альтернативных материалов, именно литий-кобальтовые батареи до сих пор применяются в мобильных телефонах, ноутбуках, фото- и видеокамерах и прочих портативных устройствах.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

При подаче на электроды зарядного напряжения ионы лития мигрируют из литийсодержащего катода в угольный анод, окисляя его, а при подключении нагрузки – в обратном направлении.

О жизни и здоровье литий-ионных батарей

При разряде восстановление отрицательного электрода происходит не полностью, продукты окисления накапливаются, и аккумулятор постепенно теряет емкость. Ее 30%-ная потеря считается концом жизненного цикла батареи, продолжительность которого составляет от 2 до 5 лет (или 500–1000 циклов, в зависимости от условий эксплуатации).

«Вредные советы» и их разоблачение

Литий-ионные батареи не требуют какого-то особенного ухода. Основные правила их эксплуатации можно найти в инструкции к телефону/ноутбуку/камере, а все остальное берут на себя схема BMS и контроллер заряда в питаемом устройстве. Тем не менее при покупке часто можно услышать от продавца или приятеля-«гуру» следующие утверждения:

  1. «…первая зарядка — 12–15 часов…» или, как вариант, «…просто оставляете устройство подключенным всю ночь…»;
  2. «…нужно сделать 3–5 полных цикла, чтобы аккумулятор набрал емкость…»;
  3. «…батарею желательно заряжать и разряжать полностью…»;
  4. «… ну и что, что аккумулятору уже год, он же не использовался; срок его службы зависит исключительно от количества циклов «заряд–разряд»…».

Давайте посмотрим, насколько вышесказанное соответствует действительности.

Первое утверждение попросту лишено смысла – управляющая электроника не позволит зарядить батарею больше положенного.

Совет №2 тоже несостоятелен. Литий-ионные аккумуляторы после первой же зарядки работают с полной отдачей, а разряжаются поначалу быстрее просто потому, что владелец устройства настраивает и изучает его, демонстрирует друзьям и знакомым и т. п. Через неделю-две гаджет входит в нормальный режим, что, естественно, положительно сказывается на автономности. Но одна полная зарядка перед началом использования все-таки желательна. Это нужно не для аккумулятора, а для того, чтобы аппарат мог определить ее реальную емкость и в дальнейшем правильно отображать остаток заряда.

У рекомендации №3 «ноги растут» еще из правил эксплуатации никель-кадмиевых батарей, которые нужно было предварительно полностью разряжать, иначе необратимо терялась часть емкости. Их литий-ионные собратья не имеют подобного «эффекта памяти», мало того – им противопоказан глубокий разряд. При частом применении это неактуально, так как система BMS не дает аккумулятору разрядиться до конца, но если он будет пребывать в разряженном состоянии месяц и более, остатки заряда «утекут», схема защиты заблокирует процесс зарядки и отключится, после чего зарядка будет уже невозможна. Избыточный заряд тоже вреден, но в большинстве устройств это уже учтено, и они заряжают батарею не до 100%.

Встречается также совет типа «заряжайте как хотите, но хотя бы раз в неделю (месяц) проведите цикл полностью». Такая схема работы оптимальна для никель-металлгидридных аккумуляторов – они тоже обладают эффектом памяти, но намного меньшим, чем Ni-Cd, и восстанавливают емкость после 1–2 полных циклов. Для литий-ионных батарей это справедливо лишь частично, так, например, рекомендуется сделать после длительного хранения.

Из утверждения номер 4 следует логичный, казалось бы, вывод: раз время жизни батареи измеряется количеством циклов, значит, лучше использовать по максимуму. Это ошибка. Полные заряд и разряд быстрее изнашивают ее, а неполные циклы, напротив, продлевают жизнь (см. таблицу 1).

Таблица 1. Срок службы (количество циклов) в зависимости от глубины разряда
Глубина разрядаКоличество циклов разряда
100%500
50%1500
25%2500
10%4700

К тому же литий-ионные аккумуляторы теряют емкость даже без использования. Уже после года «на полке» их ресурс уменьшается на 5–10%, после 2 лет – на 20–30%. Поэтому, приобретая новое портативное устройство, обращайте внимание на дату выпуска источника питания. Очевидно также, что покупка батареи «впрок», даже если ее трудно найти в продаже, бесполезна.

Холодно-жарко

Очень важно соблюдать температурный режим работы литий-ионных батарей. На морозе ниже -20 °С они просто перестают отдавать ток, а при жаре выше +45 °С хотя и функционируют, но такие климатические условия активизируют процесс старения, значительно сокращая срок жизни аккумулятора. А вот заряжать его можно только при положительных (по Цельсию) температурах, иначе велик риск выхода устройства из строя. Вообще, оптимальная рабочая температура литий-ионных АКБ составляет +20 °С.

Разновидности литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи постоянно совершенствуются, производители активно экспериментируют с материалами электродов и электролита. В 1994 г. появились аккумуляторы с литий-марганцевыми, а в 1996 – с литий-железо-фосфатными катодами. Они гораздо стабильнее и легко переносят большой разрядный ток, поэтому нашли применение в электроинструментах и электромобилях. С 2003 г. выпускаются батареи, использующие сложный состав катода (LiNiMnCoO2) и обладающие наилучшим сочетанием характеристик среди всех перечисленных. Но по удельной емкости и цене литий-кобальтовые экземпляры пока никому превзойти не удалось, а преимущества новых типов не востребованы в мобильных телефонах и ноутбуках, потребляющих относительно небольшой ток.

Как сохранить неиспользуемую батарею

Если вы временно отложили старый телефон, но хотите сберечь его в рабочем состоянии, – знайте, что лучше всего литий-ионные аккумуляторы хранятся при температуре около +5 °С. Чем она выше и чем ближе степень заряда к 100%, тем быстрее стареет батарея и теряет емкость (см. таблицу 2). Лучше всего зарядить ее до 40–50%, извлечь из аппарата, упаковать в герметичный полиэтиленовый пакет, положить в холодильник (но не в морозильную камеру!) и периодически подзаряжать.

Таблица 2. Деградация характеристик литий-кобальтовых аккумуляторов в связи с температурой хранения и степенью заряда
Температура, °C40%-ный уровень заряда100%-ный уровень заряда
0°C98% через 1 год94% через 1 год
25°C96% через 1 год80% через 1 год
40°C85% через 1 год65% через 1 год
60°C75% через 1 год60% через 3 месяца

Из всего вышесказанного можно вывести набор простых правил, соблюдение которых поможет продлить срок службы вашего мобильного источника энергии.

При покупке

  • обращайте внимание на дату выпуска батареи (если ей больше полугода – возможно, стоит поискать другой вариант);
  • один раз полностью зарядите аккумулятор перед первым включением устройства.

При использовании

  • по возможности избегайте полных заряда и разряда;
  • не оставляйте батарею надолго целиком разряженной;
  • не заряжайте при отрицательных температурах.

При хранении

  • держите отдельно от телефона в прохладном месте с начальным уровнем заряда 40–50%;
  • подзаряжайте раз в 2–3 месяца (после прогрева до комнатной температуры).