Литий-ионные аккумуляторы: что нужно знать и чего не надо бояться

Немного истории. Литий-ионные аккумуляторы были изобретены еще в прошлом веке: исследования велись с 1970 года, а современный вариант батарейки такого типа был представлен в 1991 году компанией Sony. Изобретение стало поистине революционным, и с тех пор в большинстве приборов и устройств, которыми мы пользуемся каждый день, устанавливаются аккумуляторы именно этого типа.

Литий-ионные аккумуляторы прошли несколько этапов доработок и усовершенствований, и на сегодняшний день они являются одними из самых надежных, безопасных и емких батарей. Конечно, как и для любых устройств, для них предусмотрены определенные правила эксплуатации, которые помогают сохранить и продлить жизнь аккумулятору. При соблюдении этих правил батарея прослужит очень долго, однако до сих пор существуют мифы и заблуждения относительно работоспособности и безопасности литий-ионных аккумуляторов.

Все помнят байку о том, что аккумулятор новенького мобильника сперва нужно полностью разрядить и только потом зарядить, иначе батарея навсегда останется малоёмкой? Разберемся, как возникли эти слухи.

Популярнейшая легенда связана с двумя факторами: во-первых, с теми временами, когда в устройствах использовались никелевые аккумуляторы, которым был свойственен так называемый «эффект памяти». Если постоянно заряжать такой аккумулятор на 30%, его емкость будет постепенно падать и в конце концов станет равной 30% от начальной.

Сегодня как в гаджетах, так и в электромобилях используются исключительно литий-ионные аккумуляторы (привет обладателям Нобелевской премии по химии (2019), присужденной троим ученым Уиттингему, Гуденафу и Ёсино за изобретение и усовершенствование литий-ионных батарей). «Эффект памяти» не чужд и литий-ионным аккумуляторам, однако он настолько ничтожен, что никак не влияет на их работу и существует как формальный научный факт.

Во-вторых, польза полного цикла разряда и заряда (от 0 до 100%) заключается в калибровке контроллера заряда — устройства, отвечающего за информацию для пользователя (ту самую батарейку на экране смартфона, которая показывает, сколько времени устройство проработает после зарядки). Плата калибровки считывает информацию о ёмкостных возможностях батареи (ведь емкость со временем падает) и может проанализировать эти данные неверно, выдав неточный прогноз, если постоянно заряжать гаджет только до половины.

Замечали, что часто последний процент заряда на смартфоне длится гораздо дольше, чем предыдущие, будто в нем на самом деле спрятаны еще 10–20%? Это именно тот случай, когда плата контроллера нас обманывает, потому что мы редко разряжаем телефоны до отключения.

Тем не менее во многих электромобилях аккумулятор по умолчанию установлен на заряд до 90%: водителю предлагается сдвинуть это ограничение только в том случае, если предстоит долгий путь. С чем это связано?

Дело в том, что количество зарядных циклов каждого аккумулятора зависит от множества факторов и один из решающих — глубина разряда, или DoD (Depth of Discharge). Этот параметр показывает, на сколько процентов разряжается аккумулятор в процессе цикла. Если разрядить телефон до 30% и зарядить до 100%, глубина разряда составит 70%. Чем меньше глубина разряда, тем большее количество циклов выдержит аккумулятор, к тому же аккумуляторы более чувствительны к крайним режимам, близким к 100%. В большинстве современных батарей, если заряжать их не более чем на 90%, количество зарядных циклов возрастает как минимум в два раза.

Допустим, количество циклов полного заряда-разряда (DoD 100%) аккумулятора вашего электромобиля равняется 1000. Если вы будете каждый раз заряжаться только до 90%, количество циклов возрастет примерно до 2000, а если будете использовать 30% емкости в диапазоне 60–90%, то количество зарядок станет почти бесконечным: по крайней мере, таким же, как если бы аккумулятор просто лежал на полке, со временем теряя химические свойства.

Именно для того чтобы продлить срок службы аккумуляторов, увеличить число зарядных циклов, производители электрокаров предлагают водителям заряжаться до 90%. Таким образом, нет необходимости в 100%-ной зарядке батарей: напротив, неполный заряд обеспечит более долгий срок службы аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы содержат сложные химические соединения и действительно могут загораться. Однако факторов возгорания не так много и все они довольно специфичны. Давайте изучим причины, по которым это может произойти, и посмотрим, насколько реальна возможность пожара при использовании литий-ионных батарей в повседневной жизни.

Механические повреждения, которые могут стать причиной возгорания аккумуляторов, должны быть значительными и как минимум приводить к разгерметизации корпуса батареи, повреждению батарей. Сильное воздействие вызывает замыкание контактов и как следствие сильный нагрев электролита: в результате аккумулятор взрывается.

Например, в случае электромобилей эту ситуацию может спровоцировать серьезная авария. Для того чтобы даже в случае ДТП аккумуляторы оставались невредимыми, производители помещают их в специальные сверхпрочные корпусы и окружают различными защитными средствами, поэтому вероятность взрыва и пожара остается довольно низкой. Что касается телефонов, ноутбуков и других гаджетов, чаще всего при механическом повреждении они просто вздуваются, также возможно вытекание электролита.

Чтобы избежать неприятных ситуаций, эксплуатируйте устройства с литий-ионными батареями аккуратно, старайтесь избегать ударов, падений и прочих механических воздействий. И не держите смартфоны в заднем кармане!

Каждый аккумулятор рассчитан на определенное напряжение (обычно 4,2 вольт), но если оставить его заряжаться дальше, давление начнет расти. В итоге, скорее всего, произойдет взрыв. В теории это возможно, но вряд ли случится на практике, так как на все аккумуляторы сегодня устанавливается плата BMS (Battery Management System), которая делает перезаряд невозможным. Плата контролирует напряжение на каждом отдельном аккумуляторе батареи и принудительно отключает заряд, когда батарея заряжена.

Плата BMS и защита от перезаряда сегодня есть на любом устройстве. Когда ваш смартфон лежит на зарядке два дня подряд, на самом деле он уже давно не заряжается, потому что плата сделала свое дело.

Относительно зарядки гаджетов все же нужно сделать пару замечаний. Во-первых, не стоит пользоваться зарядными устройствами неизвестного происхождения: в идеале лучше заряжать «родными». Во-вторых, во время зарядки не рекомендуется, если мы говорим о смартфонах, запускать на них приложения и игры, дающие значительную нагрузку на аккумулятор.

Этот риск связан с технологией производства батарей и основан на теоретической возможности возникновения замыкания между анодом и катодом внутри аккумулятора. Обычная конструкция предполагает специальный сепаратор, который разделяет анод и катод. Вместе со всей конструкцией аккумулятора они заполнены электролитом.

Если что-то пойдет не так с сепаратором, например он истончится или порвется, то может произойти короткое замыкание, нагрев электролита и возгорание.

В электромобилях используются крайне качественные батареи, производимые такими компаниями, как LG, Samsung и другими (на производителя батареи стоит обязательно обратить внимание при покупке электромобиля), производственный процесс которых находится на высоком уровне, что подтверждается наличием сертификатов и протоколов испытаний на безопасность, и задает тон в мировой аккумуляторной индустрии. Дефекты и низкое качество аккумуляторов практически исключены.

Во-вторых, конфигурация современных батарей устроена специальным образом: помимо раздельных секций, под каждым аккумулятором есть специальный клапан, который защищает ячейку и в случае превышения давления разрывает электрическую цепь.

Существуют аккумуляторы, которые содержат специальные защитные платы, контролирующие уровень напряжения. Эти элементы отвечают за то, чтобы напряжение не выходило за минимальный или максимальный рабочий предел, а также ограничивают поступающий ток в случае необходимости. Такие аккумуляторы отличаются от стандартных внешне и стоят дороже, однако цена в данном случае вполне соответствует уровню безопасности.

Интересной особенностью горения литий-ионных аккумуляторов является то, что из-за наличия в химическом составе кислорода потушить их водой практически невозможно. Если аккумулятор горит, то производители советуют отойти подальше и ждать, когда он выгорит, а не пытаться тушить его огнетушителем или ведром воды. Кроме того, желательно накрыть устройство устойчивым к возгоранию материалом, который поможет удержать разлетающиеся осколки.

Все мы с детства знаем, что нельзя трогать электроприборы, розетки и штепсели мокрыми руками. Но как дела обстоят с зарядными станциями, ведь они представляют собой высоковольтное, а значит, особо опасное для людей электрооборудование? Если заряжаться можно только при хорошей погоде, то в иных городах России, например в Петербурге, где дождь идет 365 дней в году, пользоваться электромобилем не представляется возможным.

На самом деле заряжать электромобиль можно в любую погоду, даже под ливнем. И в самом электрокаре, и в зарядной станции установлены многочисленные меры защиты и уровни «водной безопасности». Зарядная станция соединяется с электромобилем, и компьютеры с обоих устройств проверяют надежность соединения. Только после этого стартует зарядная сессия. Она не начинается непосредственно в момент соприкосновения коннектора с зарядным портом и не заканчивается, когда вы его вытаскиваете: перед этим проводится дополнительная проверка надежно изолированного оборудования.