Тайны литиевых батарей: каково их устройство, почему они боятся холода и не любят разряжаться в ноль

Один из символов современности — смартфон. Мобильные электронные устройства служат телефоном, фото- и видеокамерой, календарем, офисом, книгой, кинотеатром, организатором дружеских посиделок и свиданий. Почти в каждом мобильнике есть изобретение, авторы которого в 2019 году удостоились Нобелевской премии, — литийионный аккумулятор.

Как работают литиевые батареи

Принцип работы литиевых аккумуляторов (Li-ion) заключается в движении ионов лития между электродами — отрицательно заряженным анодом и положительно заряженным катодом. Первый обычно сделан из графита, второй — из оксидов металлов (например, кобальта, никеля или марганца).

Когда батарея заряжается, частицы лития переносятся от катода к аноду через электролит — жидкость, которая позволяет ионам двигаться, но задерживает электроны. Это создает разность потенциалов, благодаря которой мы можем получать электрический ток, соединяя катод и анод электрической цепью. Чтобы они не соприкоснулись внутри батареи, вызвав короткое замыкание, их разделяет сепаратор — тонкая пористая мембрана, которая пропускает заряженные частицы лития, но не электроны.

Все четыре основных элемента могут состоять из разных материалов — из-за этого есть разные типы литиевых батарей. Комбинируя составляющие, инженеры изобретают новые виды литиевых аккумуляторов с улучшенными свойствами. Некоторые из них могут отличаться друг от друга всем, кроме лития в составе. В современных батареях он используется не в чистом виде, а в составе соединений, что делает их более безопасными.

Преимущества литиевых аккумуляторов

Литиевый аккумулятор — чемпион по соотношению энергоемкости к массе благодаря химическим свойствам своего базового элемента. Литий — самый легкий из металлов, но обладает не меньшим энергетическим потенциалом, поэтому батареи из него компактнее и весят меньше, чем аккумуляторы других типов.

Современные литиевые батареи обладают низким процентом саморазряда. Литийионный аккумулятор может отдавать больший ток в сравнении с батареями других типов. У аккумулятора нет эффекта памяти, из-за которого при неполной разрядке и последующей зарядке он потерял бы в емкости.

Для поддержания производительности и сохранения максимального срока службы важна правильная зарядка литиевых батарей. Основное правило: избегать глубокого разряда и не допускать чрезмерной зарядки. Большинство устройств содержат аккумуляторы со встроенным чипом, который следит за процессом зарядки батарей и управляет им.

Особенности литиевых батарей

Генерация энергии в литиевой батарее — химический процесс. Если нарушить целостность корпуса, из аккумулятора может потечь электролит. Это опасно: часто этот состав бывает горючим, агрессивным к материалам и может выделять пары, способные навредить человеку и окружающей среде.

Разгерметизация литийионного аккумулятора может произойти из-за удара, сильного перепада температур или производственного дефекта. Неправильное использование и хранение могут привести к образованию газа в некоторых литийионных аккумуляторах: тогда корпус батареи вздуется, а когда давление станет слишком большим — лопнет.

На морозе уровень зарядки устройства может упасть. Электролит литиевой батареи становится более вязким при низких температурах. Из-за этого частицы лития путешествуют по аккумулятору медленнее и тратят на перемещение больше энергии.

Литиевые батареи и вода — вещи несовместимые. Соединения лития, как и других щелочных металлов, активно вступают в реакцию с водой. В процессе образуется водород — легковоспламеняющийся газ. При контакте протекшего аккумулятора с водой может возникнуть пожароопасная ситуация.

Производители устройств заботятся о батареях: аккумуляторы оснащают контролирующими чипами и защищают от влаги. Рядом с контактами на литийионных аккумуляторах часто можно найти маленький стикер с красными полосами — это химический индикатор батареи, который поменяет цвет, если пролежит в воде дольше минуты.

Как безопасно использовать литиевые батареи

Чтобы литиевая батарея служила дольше и сохраняла свои свойства, лучше соблюдать несколько правил с учетом ее особенностей.

1. Следите за зарядом аккумулятора. Не стоит разряжать батарею полностью — это снижает ее рабочую емкость. Вовремя отключайте зарядное устройство. Оптимальным уровнем зарядки батареи считается 20–80%.

2. Храните аккумуляторы правильно. Держите литиевые батареи в прохладном сухом месте. Идеальная температура для хранения — 5–25 градусов. Высокие температуры ускоряют износ, а низкие могут повредить компоненты. Если планируете долго не пользоваться батареей, зарядите ее примерно до 50%: полностью заряженные или разряженные батареи хуже переносят длительное хранение.

3. Используйте для зарядки оригинальное устройство. Зарядка с неправильным током или номинальным напряжением — главная причина перегрева. Оригинальные устройства адаптированы к характеристикам батареи и минимизируют риски.

4. Не допускайте механических повреждений батареи. Не роняйте батарею и избегайте других воздействий, которые могут нарушить герметичность корпуса аккумулятора.

Литиевые батареи — это мощные, надежные и безопасные источники энергии, если их использовать с умом. Ну а если аккумулятор вздуется, потечет или начнет нагреваться без причины, прекратите его использование и сдайте в специальный пункт, где принимают батареи на утилизацию.