Об аккумуляторах

Современные ноутбуки работают от Li-ion аккумуляторов, которые отличаются от аккумуляторов старого образца. Эти батареи подразделяются на 2 типа – ионно-литиевые и полимерные ионно-литиевые. Аккумуляторы полимерные ионно-литиевые являются последним поколением батарей, которые от никель-металлогидридных (NiMH) и никель- кадмиевых (NiCd) батарей отличаются повышенной ёмкостью и отсутствием «эффекта памяти». Кроме того, полимерные Li-ion аккумуляторы стали незаменимыми элементами при конструировании электроники миниатюрных размеров, так как способны принимать любую форму.

Принцип работы ионно-литиевых батарей основан на механизме переноса ионов лития с электрода на электрод. Впервые батареи с анодом (положительно заряженного электрода) из оксидов лития появились в начале 90-х годов прошлого века. Они стали применяться в портативных плеерах и ноутбуках. Работали эти устройства с такими носителями, как компакт-диски, компакт-кассеты, механизм воспроизведения которых требовал большого количества энергии. В этом случае превосходство литиевых батарей перед старыми NiMH было неоспоримым. Но из-за значительно более высокой стоимости производители не спешили сразу переходить на выпуск нового типа батарей. К тому же они, в случае перезаряда или перегрева, могли взорваться. Это происходило из-за повышенной химической активности лития. Так как в аккумуляторах используется не сам литий, а его ионы, то взрывоопасность не так высока, но возможность взрывов сохраняется даже в современных моделях. Подобные неприятности возникают не так часто и обычно из-за выхода из строя электронных схем защиты или неправильной эксплуатации.

Чтобы сделать работу аккумуляторных батарей более безопасной, под их крышкой ставится устройство, сопротивление которого при повышении температуры растёт, и клапан, реагирующий на увеличение внутреннего давления газов и размыкающий контакт «катод – положительный вывод». Устанавливается также внешняя система защиты батареи от переразряда, перезаряда, перегрева и короткого замыкания.

Новые батареи отличаются повышенной чувствительностью к перезарядам и переразрядам и поэтому на них обычно устанавливается соответствующий ограничитель. Когда батарея перезаряжается, поверхность анода может покрываться металлическим литием, а катод выделяет кислород. Эти процессы приводят к увеличению давления и температурному разгону, способным вызвать взрыв корпуса.

Аноды недорогих Li-ion аккумуляторов делают из литиево-марганцевой шпинели, а схемы защиты на них отсутствуют, так как марганец способствует резкому замедлению металлизации анода и выделению кислорода катодом. Так как в таких батареях нет защитной схемы, которая ограничивает заряжающий ток и вовремя останавливает зарядку, зарядные устройства универсального типа с ними использовать нельзя, поскольку может возникнуть перезаряд, который вызовет взрыв аккумулятора.

Рост рабочего тока разряда вызывает некоторое снижение ёмкости Li-ion аккумуляторов и незначительное падение рабочего напряжения. Интегрированное устройство защиты ограничивает максимальный рабочий ток. Рост рабочей температуры может вызвать уменьшение ёмкости, а понижение температуры – падение рабочего напряжения. Если аккумулятор используется при окружающей температуре меньше 5 градусов, то рабочее напряжение может оказаться меньше номинального.

В качестве материала для изготовления катода ионно-литиевых аккумуляторов используется графит (в первых моделях применялся кокс) методом интеркаляции – слои углеродной структуры матрицы раздвигаются ионами лития, которые затем располагаются между ними. Для анодов используются литированные оксиды кобальта, литиево-марганцевой шпинели или никеля. Когда аккумулятор разряжается, литий на аноде интеркалирует в оксид, а на катоде ионы деинтеркалируют из углеродного вещества. В полностью заряженном элементе минимальное значение напряжения достигает 4,2 В, а в разряженном – от 3,4 В.

Наиболее распространённая форма корпуса выпускаемых ионно-литиевых аккумуляторов – призматическая. Она удобна для размещения в ноутбуке и другой портативной технике. Также производятся цилиндрические и аккумуляторы смешанного вида. Корпуса абсолютно герметичны, что обеспечивает защиту от влаги и кислорода, а также от попадания реактивов, используемых в аккумуляторах, на питаемое устройство.

Современные батареи соответствуют следующим техническим характеристикам: энергетическая плотность – 150-200 Вт*ч/кг или 350-450 Вт* ч/кг, номинальное напряжение 3,6 – 3,7 В, расчётное количество полных циклов заряда и разряда до утраты 20% ёмкости 500 – 1000, при этом если заряжать только наполовину разряженный аккумулятор, то можно увеличить время до полной потери ёмкости. Разброс рабочих температур -20 – +56 градусов, при этом эксплуатация батареи при температуре более 40 градусов снижает срок его долговечности и может привести к потере пятой части ёмкости через 300-500 циклов заряда/разряда. В течение первых 30 дней эксплуатации саморазряд Li-ion батареи может составить 5%, а впоследствии не больше 1-3% в месяц. Никель-кадмиевые батареи за месяц могут потерять до 20% ёмкости, а никель-металлогидридные – до 30%. Зарядка Li-ion аккумуляторов по комбинированной схеме делает возможной «быструю зарядку», при которой заряда на 2/3 номинальной ёмкости можно достичь за относительно малый промежуток времени. Зарядка до 70-80% ёмкости аккумулятора происходит при постоянном токе, а далее – при постоянном напряжении. О достижении полного заряда сигнализирует резкий бросок напряжения, после чего снижается сила тока, и зарядка прекращается.

Современные ионно-литиевые аккумуляторы заряжаются на 2/3 ёмкости за полчаса-час, а полностью – за час-полтора. Покупая ионно-литиевый аккумулятор, не стоит упускать из виду «срок хранения», так как за 2 года хранения он может потерять до 1/3 ресурса. В процессе использования батареи достаточно быстро стареют и не от постоянной разрядки – зарядки, а именно из-за естественного процесса старения при хранении.

Следует отметить особую чувствительность ионно-литиевых батарей к полному разряду. Если хранить полностью разряженный аккумулятор, то через две недели процесс снижения ёмкости может стать необратимым, поэтому не следует доводить ионно-литиевый аккумулятор до полной разрядки. Полный заряд, а также перегрев неиспользуемого аккумулятора также увеличивают скорость его старения. Рекомендуемые правила хранения батарей – сорокапроцентный заряд и температура от +2 до +6 градусов, т.е. его можно завернуть в целлофан (чтобы защитить от влажности), и положить в общую камеру холодильника.

Ионно-литиевый аккумулятор, используемый в ноутбуке, следует калибровать примерно один раз в течение месяца. За сбоем контроллера следует сброс батарей, а уровень заряда будет более точно отображаться индикатором. Благодаря этому не придётся столкнуться с «неожиданным» падением ёмкости в самое неподходящее время. Для калибровки в BIOS выбирается специальная опция, либо аккумулятор сначала полностью заряжается, а потом полностью разряжается, а спустя 3-5 часов опять полностью заряжается. Такая калибровка не может служить тренировкой ионно-литиевых батарей, как это принято считать, поэтому «дольше держать» заряд после таких процедур они не будут.

И последнее, если вы работаете с ноутбуком, подключив его к сети, то аккумулятор извлекать из него не нужно – благодаря защитным схемам перезарядки не будет, а аккумулятор будет постоянно в состоянии полной зарядки, представляя собой источник бесперебойного питания (ИБП нивелируют скачки питания, т. е. вы сэкономите на ремонте компьютеров). Индикатор при этом может периодически отмечать падения зарядки до 98-99%, но эти колебания не являются свидетельством прохождения батареей циклов зарядки и разрядки и её изношенности даже в случае, что она никогда не применялась по назначению. «Просадки» батарей в ноутбуках при постоянной работе от сети возникают естественным старением батарей, которое ускоряется также повышенными температурами внутри корпуса устройства.