Кое-что о Li-ion, или почему батарея быстро садится

Введение.
Li-ion аккумулятор - тип химического источника тока, получивший широкое распространение в современной мобильной технике. В настоящий момент производители практически полностью отказались от использования прочих типов аккумуляторных батарей в мобильных телефонах, поэтому чрезвычайно важно знать, как правильно пользоваться литиевыми источниками питания. В данной статье будут озвучены основные особенности устройства и использования Li-ion батарей, а также некоторые практические советы.

Литий-ионный аккумулятор.
Литиевые аккумуляторы относят к элементам, имеющим наивысшую плотность энергии, но в то же время они являются самыми чувствительными к технологии использования и зарядки. Это особенно актуально, учитывая фактическую невозможность провести операцию восстановления ёмкости – литиевые аккумуляторы не подвержены воздействию эффекта памяти.
Так называемые циклы тренировки-восстановления слабо влияют на срок службы Li-ion аккумулятора, поскольку процессы окисления, повышающие внутреннее сопротивление батареи, необратимы. Нужно заметить, что литиевая батарея гораздо сильнее подвержена старению и из-за коррозии необратимо теряет часть ёмкости в процессе хранения, даже в идеальных условиях на складе. Поэтому, приобретая новую Li-Ion батарею, покупатель должен чётко знать дату её выпуска. К сожалению, зачастую производители кодируют дату выпуска батареи в серийном номере, делая её труднодоступной для нас.
Для Li-Ion аккумулятора не рекомендуется режим, при котором сотовый телефон используется от случая к случаю, из-за относительно низкого КПД батареи в этом случае, а также сравнительно малого срока эксплуатации.

Внутреннее сопротивление.
Это одна из основных характеристик аккумулятора. Чем она меньше, тем лучше. В норме для Li-Ion аккумулятора внутреннее сопротивление соответствует 150-250мОм при напряжении 3.6В.
Внутреннее сопротивление (далее ВС), по большому счету, определяет производительность батареи. Если при работе с аккумулятором с высоким ВС потребуется обеспечить большой ток нагрузки в кратковременном режиме, что характерно для сотовых телефонов, то выходное напряжение аккумулятора будет проседать за счёт большого падения на ВС батареи. Поскольку потребление тока сотовыми телефонами носит импульсный характер, то в пиковые моменты потребления тока напряжение аккумулятора может упасть до нижнего предела напряжения питания и телефон сообщит, что аккумулятор разряжен, несмотря на то, что до полного разряда еще далеко. Таким образом телефон может подвести владельца в самый ответственный момент.
Кроме того, высокое ВС вызывает серьёзные потери при зарядке, что выражается в чрезмерном нагреве батареи. Также, при заряде батареи с высоким ВС, напряжение на её ячейке быстрее достигает порогового, и телефон сообщит о завершении зарядки, но при этом батарея будет недозаряжена.
Существуют соответствующие методы, позволяющие измерить ВС батареи, однако они зачастую недоступны рядовому пользователю. Наиболее распространённый метод заключается в измерении падения напряжения в аккумуляторе при постоянной нагрузке на нём.

Контроллер.
Li-Ion аккумуляторы снабжают специальной схемой-контроллером, которая следит за напряжением ячейки и отключает выходные контакты батареи при уходе её напряжения за допустимые пределы.
К сожалению, иногда попадаются неоригинальные батареи, производитель которых сэкономил на контроллере. Это может привести к печальным последствиям, вплоть до разгерметизации батареи и взрыва вследствие перегрева и повышенного напряжения на ней.
Мне самому пришлось столкнуться с некачественным изделием, в котором был установлен псевдо-контроллер:

Как видно из фото, вся эта электрическая ахинея, в которую забыли впаять половину деталей, вообще не получает питания - плюсовой вывод батареи электрически никак с ней не связан. Более того, некоторые выводы транзисторов либо никуда не подключены, либо закорочены. Это полностью исключает какое-либо вмешательство схемы в жизнь батареи. Неудивительно, что после некоторого времени эксплуатации металлический стакан батареи ощутимо раздулся.
Контроллеры не дают заряжать батарею, которая разрядилась до 2.5В и менее. Дело в том, что в такой глубоко разряженной батарее происходят необратимые процессы разрушения электрохимической структуры, и попытка зарядить эту батарею приведёт к тому, что внутри неё произойдёт выделение металлического лития. Выделение лития часто является причиной взрыва.

Процесс зарядки.
За процесс заряда батареи отвечает специализированная микросхема, которая сочетает в себе стабилизаторы тока и напряжения, а также элемент памяти, в котором записана информация о последовательности и длительности стадий заряда. Поскольку чаще всего определённая микросхема рассчитана на определённую ёмкость аккумулятора, то не рекомендуется использование в телефоне батареи с ёмкостью, отличающейся от стандартной для его собственного аккумулятора.
Упрощённый график процесса полной зарядки для 750мАч Li-Ion аккумулятора:

Процесс зарядки по этому графику можно разделить на две стадии:
1. Заряд при постоянной мощности, постоянном токе.
2. Заряд при постоянном напряжении.
Иногда можно встретить «быстрые» зарядные устройства, которые, минуя вторую стадию, за один час заряжают аккумулятор. Однако при таком способе батарея набирает всего около 70% ёмкости.
Существуют так называемые «лягушки» - зарядные устройства, которые заряжают батарею напрямую через её выходные контакты. Зачастую в них не предусмотрена программа стадий зарядки, что оказывает негативное действие на ячейку. Частое использование такого способа зарядки сильно сокращает срок службы батареи.
Вопреки расхожему мнению, заряжать литиевый аккумулятор можно и разряженный наполовину, не обязательно дожидаться полной разрядки, как это делалось для NiCd.

Как продлить жизнь батарее?
В процессе использования литиевых аккумуляторов полезно соблюдать следующие несложные советы.

1. Во время зарядки отключиться от интернета (особенно в случае 3G или Wifi) и кабеля usb.
Любое подключение влияет на длительность заряда, активное подключение тем более, поскольку вызывает разогрев батареи. При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2-4 раза ((с) Вант-Гофф), в данном случае в 2-4 раза возрастает процесс саморазряда и утечки тока в аккумуляторе, он быстрее изнашивается.
При активном подключении время зарядки может увеличиться в несколько раз, и то при этом сигнал полной зарядки не совсем будет соответствовать истине (температура и ограничение по времени заряда со стороны микросхемы). Исходя из этого, заряд при вообще выключенном телефоне в 4-8 раз сокращает разрушительные для аккумулятора процессы во время зарядки.

2. Аккумулятор, не используемый долгое время, должен храниться заряженным.
Понижение напряжения ниже 2.5В делает аккумулятор бесполезным. Ток саморазряда для Li-Ion аккумулятора составляет 10% в месяц, без учёта траты энергии на контроллер.
Однако в случае долгого хранения всё это не имеет никакого значения, поскольку, как было указано выше, процесс старения происходит и самопроизвольно. Типовой срок службы аккумулятора составляет не более 2-х лет.

3. Не подвергать зарядке аккумулятор, только что попавший под воздействие отрицательных температур.
При охлаждении процессы внутри аккумулятора замедляются. Поэтому при активном использовании телефона возможно преждевременное сообщение о полной разрядке, хотя запас ещё есть. Эффект аналогичен высокому внутреннему сопротивлению, но носит обратимый характер. Из-за замедленной химической реакции аккумулятор просто не успевает поставлять необходимый объём энергии, в результате чего происходит просадка напряжения.
Именно по причине замедлившихся процессов зарядка охлаждённого аккумулятора будет слабоэффективной. Более того, это наносит ему определённый вред. Следует дождаться, когда температура батареи достигнет комнатной. Энергетические свойства аккумулятора вернутся к первоначальным значениям.