На протяжении более 100 лет в большинстве аккумуляторных батарей использовались свинец и серная кислота, впервые изобретенные в 1859 году Гастоном Плантом. Затем в 1970 году появились литиевые батареи, которые на 50 % легче, без эффекта памяти, в десять раз увеличивают срок службы и способны выдавать почти всю свою номинальную ёмкость даже при самых высоких скоростях разряда.
Но у литиевых батарей есть и недостатки. Первый – это стоимость, в четыре раза превышающая стоимость эквивалентной свинцово-кислотной батареи, а второй – безопасность. Литий – это высокореактивный металл, который бурно реагирует с водой или даже влагой в атмосфере, если элемент поврежден, и если он загорается, использование воды для его тушения только ухудшит ситуацию.
Использование соединений лития значительно снижает, но не устраняет пожароопасность. Оксид кобальта лития (LiCoO2) обладает высокой плотностью энергии, но более высокими рисками для безопасности, особенно при повреждении. Менее энергоемкие, но более безопасные соединения включают оксид марганца лития (LiMn2O4) и фосфат железа лития (LiFePO4).
Последний стал предпочтительным материалом для батарей средней производительности и является основой всех устройств в нашем групповом тесте литиевых батарей.
Что находится внутри литиевой батареи?
Фактически батарея состоит из нескольких ячеек базовых элементов, и они могут значительно различаться по размеру и форме. Они могут быть плоскими по формату, известными как призматические, и в этом случае в батарее их может быть всего четыре. Или они могут быть цилиндрическими, в формате “швейцарского рулона”, с полосами анода и катода, свернутыми вместе с разделителем между ними.
Эти цилиндрические ячейки могут быть удивительно маленькими, примерно размером с батарею типа АА для размера 18650, в результате чего в блоке мощностью 85 кВт, используемом в автомобиле Tesla, содержится не менее 7104 таких ячеек!
Номинальное напряжение одного литий-ионного элемента составляет 3,2 В, что означает, что батарея состоящая из количества элементов кратное четырем даёт номинальное напряжение 12,8 В, что близко к свинцово-кислотной батарее, которая имеет шесть элементов по 2,1 В и напряжение 12,6 В. Это позволяет вам произвести прямую замену литиевой батареи на свинцово-кислотную.
Литиевые батареи и BMS (Системы управления батареями)
Для сохранения ожидаемого срока службы литиевой батареи и обеспечения безопасности важно, чтобы она не разряжалась ниже определенного напряжения при максимальном токе, а элементы поддерживались при равных напряжениях. Также ток заряда и напряжение не должны превышать определенных значений. Для больших аккумуляторных батарей в автомобилях это потребовало отдельной и сложной электронной системы управления батареями, а также специального зарядного устройства.
Прорыв в нынешней новой линейке морских литиевых батарей заключается в том, что все они включают встроенные системы управления батареями, либо в корпусе, либо в виде простого подключаемого устройства, и в результате этого их можно заряжать с помощью существующих зарядных устройств.
Единственное условие заключается в том, что зарядное устройство должно обеспечивать максимальное напряжение 14,4 В, как правило, в гелевом свинцово-кислотном режиме. Однако некоторые поставщики литиевых батарей указали, что если вы собираетесь использовать их аккумуляторы при максимальной ёмкости, вам следует использовать специальное зарядное устройство с определенной литиевой настройкой, а некоторые добросовестные производители предоставили нам такую зарядку на время теста.
Или, если аккумулятор находится в лодке или на яхте, с генератором переменного тока с приводом от двигателя, рекомендуется установить зарядное устройство “от батареи к батарее” между АКБ запуска двигателя и литиевой сервисной батареей, чтобы обеспечить максимальную скорость зарядки, защищая как генератор, так и аккумулятор от чрезмерных токов.
Система управления батареями (BMS) является ключевым компонентом всех литиевых батарей и аккумуляторных блоков. Если напряжение падает ниже определенного заданного уровня, обычно где-то между 9,0 В и 10,0 В, или ток становится слишком высоким, BMS отключает внутреннее реле, и ток отключается.
В таких ситуациях, некоторые производители аккумуляторов оставляют свои батареи постоянно выключенными до тех пор, пока на них не будет подано напряжение зарядки, в то время как другие позволяют батарее сбросить напряжение через несколько секунд после отключения нагрузки.
BMS также сбалансирует отдельные элементы в батарее, то есть приведет все напряжения к одному и тому же уровню. Это важно для продления срока службы аккумулятора. Кроме того, во время транспортировки отключается напряжение, которое подаётся на клеммы.
