Литий-ионные аккумуляторы для шуруповёртов

Литий-ионные аккумуляторы для шуруповёртов

Необходимость автономной работы для электрических механизмов типа шуруповерта, приводит инженерную мысль к разработке облегченных и продолжительно работающих аккумуляторов.


Источник тока неоднократного действия, имеющий в принципе накопления и передачи заряда – химические процессы, называется аккумулятором. Именно обратимость реакций — разряда и заряда, наиболее привлекательна для применения аккумуляторов в переносных и малогабаритных устройствах.




В общем виде, прибор накопления энергии, представляет собой два разнополярных электрода помещенных в электролитическую среду. Несколько источников, соединенных в цепь, составляют аккумуляторную батарею.


В малогабаритных и ручных строительных инструментах, оснащенных электродвигателями, находят применение никель-кадмиевые или литий-ионные аккумуляторы.


Никель-кадмиевые аккумуляторы для шуруповерта


В Ni-Cd источниках, электролитом является раствор КОН, а в качестве реагентов выступают кадмий и гидроксид никеля. Отрицательный электрод обрабатывается кадмием и имеет большие габариты, необходимые для поглощения водорода, выделяемого при окислительно-восстановительной реакции. Емкость такого аккумулятора рассчитывается от объема положительного никелевого электрода.


Существенным недостатком никель-кадмиевой конструкции является ощутимый вес устройства, что для ручных электроинструментов имеет значительный минус. Использование кадмия в качестве реагента также не способствует популярности таких аккумуляторов. Кадмий относят к элементам второй группы опасности для здоровья человека.


Такие источники хороши, если инструмент будет использоваться от случая к случаю.



Литий-ионные аккумуляторы для шуруповерта


Электролитом, в литий-ионных источниках, служит раствор солей лития в безводном апротонном растворе. Главной особенностью раствора является его свойство не создавать при распаде соединений, свободных положительных ионов водорода.


Анод выполняется из оксида кобальта, а катод из углеродистого материала — кокса или графита. Кристаллические решетки электродов позволяют ионам лития свободно внедряться в структуру и освобождаться из нее. Снятие зарядов с положительного электрода проводится через алюминиевый токосъемник, отрицательный токосъемник выполняется из медного листа.


Защита от возгорания лития при перезаряде или от короткого замыкания, выполняется дополнительными микросхемами-контроллерами.


Литий-ионные аккумуляторы для шуруповёртов


Конструкция Li-Ion аккумуляторов


Вариант изготовления литий-ионных аккумуляторов может быть призматическим, цилиндрическим или в виде эллиптической спирали.



  • Призматические элементы питания выполняют в виде стопки электродов, разделенных полипропиленовым сепаратором. Призматический ЭП имеет высокую плотность, но отличается низким сжимающим усилием.

  • Для увеличения сжимающего усилия, воздействующего на электроды, применяют спиральную сборку в виде удлиненного эллипса. Сборка в виде эллиптической спирали позволяет сохранить плотность упаковки и поднять сжимающие усилие.

  • Для цилиндрических элементов питания – электроды, проложенные сепаратором, сворачивают в рулон. Сепаратор изготавливается из пористого неэлектропроводного материала типа Celgard и пропитывается электролитом. Положительный токосъемник подключается к выводу на крышке элемента, отрицательный – к металлическому корпусу.


Собранная конструкция тщательно герметизируется, во избежание воздействия водяных паров или кислорода воздуха на электролит и электроды, что может привести к разрушению элемента питания.


Накопители энергии для шуруповерта собирают в основном, из нескольких цилиндрических ЭП соединяемых последовательно.


В конструкцию обязательно включается плата управления и контроля (СКУ).


Литий-ионные аккумуляторы для шуруповёртов


Характеристики Li-Ion аккумуляторов


Значение технических показателей зависит от электрохимической схемы элемента питания.



  • Максимальное напряжение отдельного элемента батареи, поддерживаемое платой защиты – до 4,2 В.

  • Минимальное напряжение, допускаемое системой контроля – 2,5 В.

  • Номинальное напряжение – 3,6 В.

  • Энергетическая плотность – до 230 Вт×ч/кг.

  • Количество циклов разряда/заряда до 20% потери емкости батареи – 2500÷ 4500.

  • Внутреннее сопротивление – 6÷14 МОм/1 А×ч.

  • Продолжительность заряда – 0,4÷1 ч.

  • Безопасные для работы температуры – 0÷50 °C.

  • Оптимально приемлемый ток нагрузки, относительно емкости – 1С.

  • Импульсный ток нагрузки, относительно емкости – до 500С.

  • Постоянный ток нагрузки, относительно емкости – 65 С.

  • Величина саморазряда при 20÷25 °C – 3% емкости за месяц.


Литий-ионные аккумуляторы для шуруповёртов


Положительные и негативные стороны литиево-ионных аккумуляторов


Технологии аккумуляторов непрерывно модернизируются и улучшаются. Например, сейчас широко распространяется применение литий-феррофосфатных катодов, вместо кобальтата и никелата лития, изменяющих некоторые характеристики элементов питания в лучшую сторону и снижающих цену товара.


Преимущества



  • Высокая весовая и объемная плотность энергии.

  • Напряжение питания отдельного элемента (3,6 В) выше, чем у аккумуляторов на основе свинца или никеля.

  • Быстропротекающий процесс заряда, за 0,5÷0,6 часа около 90% емкости.

  • Изрядный ресурс, более 1000 циклов разряда/заряда.

  • Самопроизвольный разряд не более 5% емкости за месяц.

  • Конструктивные материалы химически безопасны при эксплуатации и утилизации.


Негативные аспекты конструкции устройства



  • Быстрое развитие процесса старения батареи, через 5 лет резко изменяются характеристики в худшую сторону как при активном использовании, так и при обычном хранении.

  • Использование сложных систем контроля и управления батареей, приводящих к удорожанию товара.

  • Механические повреждения или эксплуатация аккумулятора без управляющей платы, может привести к взрыву.


Как и любое другое техническое приспособление, аккумулятор любит уход и заботу. Чем выше температура хранения, тем активнее идет деградация характеристик литий-ионного накопителя, оптимально хранение при температуре 0÷20 °C. Заряжать батареи рекомендуется тоже только при плюсовой температуре.


Метки к статье: