Как заменить литий ионный аккумулятор

Ремонт аккумулятора шуруповерта (замена ni-cd на li-ion)

Ремонт аккумулятора шуруповерта возможен способом замены элементов питания ni-cd на li-ion типа 18650. Аккумуляторы должны быть высоко токовыми и способными поддерживать нагрузку в 70–100 Вт. Оптимально подойдут батарейки для электронных сигарет производства Samsung или LG. Для контроля зарядки и разрядки аккумуляторов нужно использовать плату балансировки на 15-20 Ампер. Первым делом нужно разобрать корпус аккумулятора на две половинки. Проще всего это делается, если батарейный блок стянут 4–5 шурупами: просто раскручиваем их и вытягиваем верхнюю часть. Далее выбрасываем ненужные части содержимого. Контактную колодку нужно аккуратненько оторвать от двух верхних банок, чтобы на ней остались два никелевых язычка. Припаиваем к ним толстые медные провода вклеиваем в верхнюю часть корпуса аккумулятора. В отличие от Ni-Cd или Ni-MH элементов, литиевые аккумуляторы имеют более высокую ёмкость и напряжение, поэтому их в состав батареи войдёт меньшее количество. Размеры элемента 18650 — 65 мм. высота и диаметр 18 мм.
Напряжение Li-ion аккумулятора равно 3,7 В, но под нагрузкой происходит уменьшение напряжения около 10–12%. Это значит, что для 12 В. шуруповёрта понадобится минимум 4 аккумулятора, а для 18 В — не менее 5 шт., хотя лучше использовать 6.
Аккумуляторные элементы нужно соединять последовательно.
Для пайки контакты каждого аккумулятора следует хорошо залудить. Сперва зачистите их надфилем или мелкой шкуркой, сняв верхний никелевый слой. Как флюс используйте ортофосфорную кислоту, припой самый обычный — ПОС-61 с канифолью.

Чем заменить литий ионный аккумулятор?

Вопреки преуспеванию литий-ионной технологии и массовому применению Li-ion аккумуляторов, изобретатели не останавливаются на достигнутом. Они продолжают работать над усовершенствованием имеющихся и открытием новых аккумуляторных технологий. Исследования в этой сфере продолжаются и вполне возможно, что со временем появится достойная замена литиевых аккумуляторов. Так, как в свое время Li-ion элементы заменили устаревшие Ni-Cd и Ni-MH модели.

В поисках лучшего

Ученые убеждены в неизбежности прогресса и стремятся создать еще более совершенные накопители энергии. Многие из них хотят заменить литий-ионные АКБ аналогами с еще большим циклическим ресурсом, недорогим и экологически чистым составом, увеличенной удельной емкостью, расширенным диапазоном рабочих температур, стойкостью к высоким токовым нагрузкам и другими преимуществами. К тому же, запасы лития исчерпаемы, его добыча существенно вредит экологии, а при некорректной утилизации химические элементы загрязняют почву, грунтовые и поверхностные воды.

Считается, что аккумуляторы будущего должны:

• иметь увеличенную емкость без ущерба для остальных рабочих параметров;
• быстрее заряжаться и дольше работать на одном заряде;
• обеспечивать стабильно высокую токоотдачу при питании мощного оборудования;
• сохранять хорошие рабочие характеристики на морозе и при высоких температурах;
• эффективно работать годами или даже десятилетиями;
• иметь чистый состав без тяжелых металлов и токсичных компонентов;
• быть доступными, сверхнадежными и абсолютно безопасными в эксплуатации.

Натрий-ионные АКБ как замена литий-ионных

В качестве перспективной замены Li-ion аккумуляторов исследователи рассматривают разные электрохимические системы, в т. ч. модели с ионами натрия. Сейчас они проходят этап доработки и оттачивания технологических решений. Тем не менее, такая замена считается одной из наиболее перспективных.

Натрий – доступный щелочной металл, содержащийся в морской воде и запросто извлекаемый из нее. Но его ионы на ¼ крупнее ионов лития, медленнее передвигаются и не так легко проникают в структуру электродов. Чтобы нивелировать этот недостаток, изобретатели изменили структуру анода. За счет увеличения межслойных зазоров, измененный анод лучше встраивает в свою структуру ионы натрия. Например, хорошие результаты были достигнуты при замене электродов на материалы с пористым слоистым строением.

Теоретическими плюсами Na-ion ячеек выступают:

• доступное сырье;
• состав без лития, кобальта и других металлов, добыча которых сопряжена с множеством проблем;
• цена на 80% меньше, чем у аналогичных аккумов с ионами лития;
• экологически чистый состав;
• нечувствительность к полным разрядам;
• долгий срок службы с сохранением исходных рабочих параметров – стабильная работа на протяжении 5–10 лет;
• медленное старение – снижение емкости наилучших экспериментальных моделей составляет 5% после 100 циклов заряд-разряд и 16% по прошествии 500 циклов;
• возможность производства на заводах по изготовлению литий-ионных аккумуляторов;
• у образцов с твердым электролитом – стойкость к появлению дендритов и связанных с ними внутренних коротких замыканий.

Достижения Na-ion технологии

В 2019 году китайские исследователи испытали огромную натрий-ионную АКБ энерговооруженностью 100 кВт·ч, в состав которой вошло свыше 600 ячеек. С ее помощью было организовано независимое электроснабжение здания исследовательского центра. Изобретатели из Сеульского национального университета также решили заменить литий-ионные аккумуляторы натрий-ионными и создали модель с электродами из ванадия. В результате была достигнута впечатляющая удельная емкость образцов – около 600 Вт·ч/кг.

Швейцарские ученые также преуспели в развитии Na-ion аккумов. Они изобрели порошкообразный электролит из клозобората, обеспечивающий прекрасную проводимость ионов натрия. Используя его с катодом из оксида NaCrO₂ и натриевым анодом, они получили образец с удельной емкостью ≈85 мА·ч/г, номинальным вольтажом 3 В и сохранением 80% емкости по прошествии 250 рабочих циклов.

Работают над заменой Li-ion батарей и исследователи из Токийского университета. В их разработке катод выполнен из натрия, а анод – из сочетания оксидов железа, натрия и марганца, причем анодный материал 12 часов прогревался при 900 °С. Полученный образец получил удельную емкость 190 мА·ч/г и номинальное напряжение 2,75 В. Чтобы повысить номинальное напряжение до 3 В, можно применить катод из диоксида титана или графита.

В МГУ им. М.В. Ломоносова также осуществляются работы по усовершенствованию литий-ионных и созданию натрий-ионных элементов питания. Для изготовления катода специалисты химического факультета применяют оксиды Li (Co , Ni, Mn, Al)O₂, Na (Fe , Ni, Mn)O₂, а также исследуют инновационный материал Na₃V₂ (PO ₄)₃. В 2019 году исследователями МГУ был запатентован материал для изготовления катодов β-NaVP₂O₇. Аноды создаваемых образцов московские изобретатели делают из материала Hard Carbon, в который хорошо внедряются ионы натрия.

Усовершенствование Li-ion технологии

Многие ученые убеждены, что элементы питания с литием нужно не заменять кардинально новыми изобретениями, а совершенствовать. По их мнению, эта технология стала вершиной эволюции химических источников тока. И хотя в окислительно-восстановительной реакции между катодом и анодом может участвовать 90 элементов из таблицы Менделеева, литий среди них – лучшее активное вещество для изготовления катода. У него минимальная масса, минимальный электродный потенциал ( –3,05 В) и максимальная токовая нагрузка (3 ,83 А·ч/г).

Не зря на протяжении 30 лет продолжается совершенствование литиевых АКБ. Используя разное сочетание материалов с неизменно присутствующим в них литием, изобретатели получают подвиды Li-ion накопителей энергии с необходимыми характеристиками. И хотя самыми распространенными остаются модели с катодом из оксида литий-кобальта (у них отличное сочетание напряжения, емкости и токоотдачи), со времени их появления были созданы и более емкие, и высокотоковые элементы с немного измененной химической структурой.

Использование кремниево-полимерных анодов

Ученые используют разные способы, чтобы повысить емкость Li-ion ячеек и улучшить другие их характеристики. Так, исследовательские группы из POSTECH и Южнокорейского Университета Соганг решили заменить традиционный материал анода (графит ) слоистым полимером с высокими показателями стабильности и надежности. Ожидается, что такая замена графитового анода на кремниевый анод с многослойно заряженными полимерами (чередование слоев полимеров с плюсовыми и минусовыми зарядами) приведет к возрастанию емкости в 10 раз.

При этом полимерные связующие препятствуют увеличению объема Si-анода при встраивании ионов. Ковалентная межмолекулярная связь полимера обеспечивает химическое сшивание компонентов. Для восстановления межмолекулярных связей используют возможности кулоновских сил и обратимые водородные связи. Результаты исследований по применению кремниевого анода южнокорейские ученые представили в Advanced Functional Materials.

Сегодня накопители энергии с ионами лития остаются неизменными лидерами и самыми эффективными элементами питания, т.к. полноценно заменить их пока нечем.

Предлагаем к прочтению статью из блога VirtusTec.ru о том, на сколько хватает АКБ квадрокоптера.

Чем можно заменить аккумулятор для шуруповерта?

Портативные шуруповерты работают от аккумуляторных блоков, в состав которых входит несколько элементов питания и плата защиты. Со временем аккумуляторы вырабатывают свой ресурс и подлежат замене. Установка новых аккумуляторов позволяет восстановить работоспособность инструмента. Если его электродвигатель, зажимной патрон и механические детали исправны, вместо покупки нового шуруповерта стоит купить ремкомплект и просто заменить старую АКБ.

Причем заменить можно аккумуляторы любого типа – и современные Li-ion, и старые Ni-Cd модели. В первом случае достаточно купить или собрать самостоятельно АКБ с нужными характеристиками. Для перехода с никель-кадмиевых аккумуляторов на литий в продаже есть комплекты с АКБ, зарядным устройством и зарядным DC разъемом. Наличие в продаже таких комплектов значительно упрощает восстановление старых инструментов и их переделку на Li-ion.

Какие характеристики учесть при замене АКБ?

При замене элементов питания в шуруповерте или другом инструменте обязательно учитываются:

• напряжение – у большинства моделей его значение составляет 12 или 18 В, но бывает и больше, например, есть ударные дрели-шуруповерты на 40 В;
• размеры аккумуляторного блока;
• потребляемая электродвигателем мощность;
• потребляемый ток;
• емкость АКБ.

При делении мощности на напряжение получаем максимальное значение потребляемого инструментом тока. Его обязательно учитывают при выборе и замене АКБ, чтобы не допустить токовых перегрузок. Поэтому в портативном электроинструменте используются высокотоковые аккумуляторы, рассчитанные на токи разряда от 20 А.

Преимущества перехода на литий

В современных шуруповертах и других портативных электроинструментах используются высокоамперные Li-ion аккумуляторы. Их признают лучшими из всех элементов питания, имеющихся в свободной продаже. До развития литий-ионной технологии такие инструменты снабжали никель-кадмиевыми АКБ. Они были дешевыми, быстро заряжались, стабильно работали при температуре до -20 °С.

Главный недостаток Ni-Cd аккумуляторов – токсичность кадмия. К тому же, они уступают Li-ion моделям по удельной энергоемкости, проценту саморазряда и циклическому ресурсу, а также имеют заметный эффект памяти. Если Li-ion батареи можно ставить на зарядку при каком-угодно проценте остаточного заряда, то Ni-Cd перед зарядкой полагается полностью разрядить. Иначе они накапливают и отдают при дальнейшей работе меньше энергии.

Поэтому в вопросе, чем заменить аккумулятор для шуруповерта, есть 2 оптимальных решения:

1. Li-ion – заменяем аналогичным аккумуляторным блоком.

2. Ni-Cd – заменяем высокотоковыми Li-ion элементами. Их суммарный вольтаж должен примерно равняться рабочему напряжению инструмента.

Принцип замены Ni-Cd на Li-ion

Никель-кадмиевые «банки » имеют номинальное напряжение 1,2 В, а литий-ионные – 3,7 В. При последовательном соединении ячеек их напряжение суммируется. Например, для получения батареи на 12 вольт нужно последовательно соединить 10 ячеек типа Ni-Cd или 3 аккумулятора типа Li-ion.

Небольшое изменение напряжения, подаваемого на электродвигатель инструмента, некритично. Например, если увеличить вольтаж АКБ на 20%, это приведет к небольшому возрастанию рабочей мощности электродвигателя. Поэтому при расчете нужного количества ячеек лучше делать округление в большую сторону.

Номинальное напряжение шуруповерта

Количество Li-ion элементов в АКБ

Характеристики аккумуляторов

Высокотоковые Li-ion аккумуляторы чаще всего производятся по литий-марганцевой технологии и имеют следующие характеристики:

• способность работать с большими токами нагрузки – токоотдача до 15–20 А в постоянном режиме и до 30–100 А кратковременно;
• емкость – у элементов типоразмера 18650 равна в среднем 2500 мА·ч;
• номинальное напряжение – 3,7 В;
• диапазон рабочих напряжений – 2,55–4,2 В;
• ресурс – от 600 циклов заряд-разряд (после этого исходный запас емкости снижается на 20%, время автономной работы инструмента постепенно уменьшается, но батарея все еще остается работоспособной);
• безопасность эксплуатации – высокая, обеспечивается BMS платой.

Высокотоковыми являются аккумуляторы Samsung INR18650-30Q, Samsung INR18650-25S, Sanyo UR18650NSX, LG 18650HG2, Murata VTC5. Можно выбрать и другие «банки ». Главное, чтобы они были рассчитаны на высокую токоотдачу – от 20 А.

О емкости

Емкость у высокотоковых Li-ion ячеек небольшая – порядка 2500 мА·ч. У литий-кобальтовых аккумуляторов она выше. Но для установки в портативный электроинструмент нужны АКБ, способные выдерживать большие токи нагрузки. Поэтому при выборе элементов питания важнее высокая токоотдача, а не емкость.

Тем не менее, при замене Ni-Cd на Li-ion батарею одинакового вольтажа получаем увеличенный запас емкости. Потому что удельная энергоемкость у любых литий-ионных элементов выше, чем у Ni-Cd. Например, у бытовых шуруповертов напряжением 12–14,4 В емкость Ni-Cd батарей составляет 1000–1400 мА·ч, а у моделей вольтажом 18 В – 1400–2000 мА·ч.

Чтобы превысить эти значения, нам даже не нужно использовать несколько параллелей Li-ion аккумуляторов. Достаточно соединить последовательно столько «банок », сколько нужно для получения номинального вольтажа. Так, для сборки Li-ion батареи на 18 В используем схему 5S1P – соединяем последовательно 5 ячеек Li-ion форм-фактора 18650, емкостью 2500 мА·ч и токоотдачей 20 А. Вес такой батареи составляет 350 г, что позволяет избежать значительного утяжеления инструмента и дополнительных нагрузок при его использовании.

О мощности АКБ

Мощность или энерговооруженность батареи – это параметр, характеризующий количество запасаемой ею энергии. Он рассчитывается умножением значений емкости и напряжения АКБ. В результате есть 2 способа увеличить запас энергии батареи:

• увеличить напряжение – но его величина должна быть близкой к рабочему напряжению электродвигателя;
• увеличить емкость – но важно не утяжелять аккумуляторный блок.

При переходе с Ni-Cd «банок » на Li-ion удается повысить запас емкости и мощность батареи без увеличения ее размеров и веса. При замене литиевой АКБ обычно используют аккумуляторы с теми же характеристиками.

Параметры BMS платы

Для эффективной и безопасной работы литиевых АКБ важно не выходить за границы рабочих напряжений (2 ,55–4,2 В на ячейку) – избегать глубокого разряда и перезаряда элементов. За соблюдением этого требования следит плата защиты – BMS. Она также контролирует токовые нагрузки и не допускает перегрева элементов.

BMS плата выбирается по 2 параметрам:

1. Число последовательно соединенных «банок » в сборке – указывается рядом с буквой S (3S , 5S, 10S, 11S и т.д.).

2. Ток защиты – максимально допустимое значение токовой нагрузки, при котором срабатывает защита. Обычно на шуруповертах составляет 20 или 22 А.

Например, для сборки из 3 аккумуляторов подойдет BMS 3S с током защиты 20, 22 или 30 А, в зависимости от максимальной величины рабочего тока. В мощных электроинструментах используются АКБ с большими значениями рабочего и импульсного тока. В таких случаях выбирают BMS плату с током защиты 30 или 40 А. Если ток защиты будет меньше пускового или максимального импульсного тока, электродвигатель не сможет запуститься или будет выключаться при работе.

Параметры зарядного устройства

Если вы решили заменить литиевый аккумулятор шуруповерта аналогичной моделью, заряжать ее можно тем же зарядным устройством. Если же был выполнен ремонт с переходом из Ni-Cd элементов на литиевые, использовать старое ЗУ нельзя. В зарядных устройствах для литий-ионных АКБ сочетается генератор тока и стабилизатор предельного напряжения. В процессе зарядки поддерживается постоянное значение тока, а напряжение увеличивается до 4,2 В на элемент. На конечной стадии зарядки значение тока падает до нуля.

При выборе ЗУ учитывают 2 параметра:

1. Число последовательно соединенных ячеек в сборке.

2. Необходимый зарядный ток.

Выходное напряжение ЗУ должно соответствовать количеству аккумуляторов в сборке, умноженному на 4,2 В. Например, для батареи из 3 элементов нужно ЗУ с выходным напряжением 12,6 В, для АКБ из 5 элементов – 21 В, для сборки из 10 ячеек – 42 В. Для подключения ЗУ к аккумуляторному блоку обычно применяется гнездо под штекер 5,5×2,1 мм.

Как заменить одну или несколько ячеек в литий-ионной батарее

Правильно подключенная и настроенная плата управления батареей (BMS) защищает литий-ионные элементы от повышенного и пониженного напряжения, перегрузки по току, перегрева. Однако она не способна предотвратить поломки, которые происходят по причине внутренних производственных дефектов или нарушения правил эксплуатации. Если некоторые аккумуляторные ячейки выходят из строя или повреждаются, то их нужно заменить. Прежде чем приступать к ремонту, следует убедиться, что в проблеме виноват испорченный элемент. Многие платы управления выдают соответствующий код неисправности, но ошибка может появиться по разным причинам:

разбалансировка между ячейками;
ослабление или коррозия клемм;
неправильные настройки номинального сопротивления (проблема проявляется в холодном состоянии).

Если действительно требуется замена, то нужно подобрать элемент того же типа и характеристик, что и остальные.

Основные правила

Аккумуляторная батарея надежна лишь настолько, насколько надежен ее слабейший компонент. Поэтому следуйте следующим правилам:

Для замены берите только новые элементы, которые не хуже тех, что уже установлены.

Не используйте глубоко разряженные элементы. Они могут быть нестабильными, поскольку чрезмерный разряд мог вызвать внутреннее повреждение.

Не устанавливайте в литий-ионный аккумулятор элементы с разным химическим составом.

Состояние заряда устанавливаемых и установленных в батарее ячеек может значительно не совпадать. Чтобы избежать проблем с балансом, их нужно добиться примерно одинакового уровня заряда. Лучше всего, если новые элементы будут даже немного более заряжены, чем остальные. Это связано с тем, что при балансировке BMS обычно разряжает ячейки. Если новые элементы более разряженные, то плате управления сложнее выполнять балансировку.

Полностью зарядить новый элемент и аккумуляторную батарею, в которую будете его устанавливать. Для зарядки используйте программируемый источник питания с режимом CC-CV или подходящее зарядное устройство (исходя из химсостава аккумулятора). При использовании этого способа важно избежать перезаряда. Если зарядка неисправного аккумулятора невозможна или несет угрозу безопасности, то этот способ отпадает.

Разрядить либо новый элемент, либо аккумуляторную батарею до примерно одинакового уровня. Здесь важно не допустить чрезмерного разряда. Переразряженные ячейки могут испортиться, поэтому контролируйте их разрядку с помощью BMS.

Аккумуляторы с химсоставом LiFePO4 отличаются более плоской зарядной кривой, поэтому добиться одинакового уровня заряда сложнее. Заряжать или разряжать их придется до крайних пределов, установленных производителем. Для незначительной корректировки состояния заряда можно использовать функцию балансировки. Небольшие аккумуляторы емкостью 40-100 А·ч плата BMS сможет сбалансировать за нескольких дней, независимо от степени разбалансировки. Однако крупным аккумуляторным батареям (например, ёмкостью 1000 А·ч) потребуется слишком много времени для балансировки.