Lithium-ion Batteries — Тексты по английскому языку

Оригинал на английском

Lithium-ion Batteries

Lithium-ion batteries are incredibly popular these days. You can find them in laptops, PDAs, cell phones and iPods. They’re so common because, they’re some of the most energetic rechargeable batteries available.

Lithium-ion batteries have also been in the news lately. That’s because these batteries have the ability to burst into flames occasionally. It’s not very common — just two or three battery packs per million have a problem — but when it happens, it’s extreme. In some situations, the failure rate can rise. 

So the question is, what makes these batteries so energetic and so popular? How do they burst into flame? And is there anything you can do to prevent the problem or help your batteries last longer? In this article, we’ll answer these questions and more. 

Lithium-ion batteries are popular because they have a number of important advantages over competing technologies: 

  • They’re generally much lighter than other types of rechargeable batteries of the same size. The electrodes of a lithium-ion battery are made of lightweight lithium and carbon. Lithium is also a highly reactive element, meaning that a lot of energy can be stored in its atomic bonds. This translates into a very high energy density for lithium-ion batteries. 

Here is a way to get a perspective on the energy density. A typical lithium-ion battery can store 150 watt-hours of electricity in 1 kilogram of battery. A NiMH (nickel-metal hydride) battery pack can store perhaps 100 watt-hours per kilogram, although 60 to 70 watt-hours might be more typical. A lead-acid battery can store only 25 watt-hours per kilogram. Using lead-acid technology, it takes 6 kilograms to store the same amount of energy that a 1 kilogram lithium-ion battery can handle. That’s a huge difference. 

  • They hold their charge. A lithium-ion battery pack loses only about 5 percent of its charge per month, compared to a 20 percent loss per month for NiMH batteries. 
  • They have no memory effect, which means that you do not have to completely discharge them before recharging, as with some other battery chemistries. 
  • Lithium-ion batteries can handle hundreds of charge/discharge cycles. 

That is not to say that lithium-ion batteries are flawless. They have a few disadvantages as well: 

  • They start degrading as soon as they leave the factory. They will only last two or three years from the date of manufacture whether you use them or not. 
  • They are extremely sensitive to high temperatures. Heat causes lithium-ion battery packs to degrade much faster than they normally would. 
  • If you completely discharge a lithium-ion battery, it is ruined. 
  • A lithium-ion battery pack must have an on-board computer to manage the battery. This makes them even more expensive than they already are. 
  • There is a small chance that, if a lithium-ion battery pack fails, it will burst into flame. 

Many of these characteristics can be understood by looking at the chemistry inside a lithium-ion cell. We’ll look at this next.

Inside a Lithium-ion Battery Pack and Cell

Lithium-ion battery packs come in all shapes and sizes, but they all look about the same on the inside. If you were to take apart a laptop battery pack (something that we DO NOT recommend because of the possibility of shorting out a battery and starting a fire) you would find the following:

  • The lithium-ion cells can be either cylindrical batteries that look almost identical to AA cells, or they can be prismatic, which means they are square or rectangular 

The computer, which comprises: 

  • One or more temperature sensors to monitor the battery temperature 
  • A voltage converter and regulator circuit to maintain safe levels of voltage and current 
  • A shielded notebook connector that lets power and information flow in and out of the battery pack 
  • A voltage tap, which monitors the energy capacity of individual cells in the battery pack 
  • A battery charge state monitor, which is a small computer that handles the whole charging process to make sure the batteries charge as quickly and fully as possible. 

If the battery pack gets too hot during charging or use, the computer will shut down the flow of power to try to cool things down. If you leave your laptop in an extremely hot car and try to use the laptop, this computer may prevent you from powering up until things cool off. If the cells ever become completely discharged, the battery pack will shut down because the cells are ruined. It may also keep track of the number of charge/discharge cycles and send out information so the laptop’s battery meter can tell you how much charge is left in the battery. 

It’s a pretty sophisticated little computer, and it draws power from the batteries. This power draw is one reason why lithium-ion batteries lose 5 percent of their power every month when sitting idle. 

Lithium-ion Cells

As with most batteries you have an outer case made of metal. The use of metal is particularly important here because the battery is pressurized. This metal case has some kind of pressure-sensitive vent hole. If the battery ever gets so hot that it risks exploding from over-pressure, this vent will release the extra pressure. The battery will probably be useless afterwards, so this is something to avoid. The vent is strictly there as a safety measure. So is the Positive Temperature Coefficient (PTC) switch, a device that is supposed to keep the battery from overheating. 

This metal case holds a long spiral comprising three thin sheets pressed together: 

  • A Positive electrode 
  • A Negative electrode 
  • A separator 

Inside the case these sheets are submerged in an organic solvent that acts as the electrolyte. Ether is one common solvent. 

The separator is a very thin sheet of microperforated plastic. As the name implies, it separates the positive and negative electrodes while allowing ions to pass through. 

The positive electrode is made of Lithium cobalt oxide, or LiCoO2. The negative electrode is made of carbon. When the battery charges, ions of lithium move through the electrolyte from the positive electrode to the negative electrode and attach to the carbon. During discharge, the lithium ions move back to the LiCoO2 from the carbon. 

The movement of these lithium ions happens at a fairly high voltage, so each cell produces 3.7 volts. This is much higher than the 1.5 volts typical of a normal AA alkaline cell that you buy at the supermarket and helps make lithium-ion batteries more compact in small devices like cell phones. See How Batteries Work for details on different battery chemistries. 

We’ll look at how to prolong the life of a lithium-ion battery and explore why they can explode next. 

Lithium-ion Battery Life and Death

Lithium-ion battery packs are expensive, so if you want to make yours to last longer, here are some things to keep in mind: 

  • Lithium ion chemistry prefers partial discharge to deep discharge, so it’s best to avoid taking the battery all the way down to zero. Since lithium-ion chemistry does not have a «memory», you do not harm the battery pack with a partial discharge. If the voltage of a lithium-ion cell drops below a certain level, it’s ruined. 
  • Lithium-ion batteries age. They only last two to three years, even if they are sitting on a shelf unused. So do not «avoid using» the battery with the thought that the battery pack will last five years. It won’t. Also, if you are buying a new battery pack, you want to make sure it really is new. If it has been sitting on a shelf in the store for a year, it won’t last very long. Manufacturing dates are important. 
  • Avoid heat, which degrades the batteries. 

Exploding Batteries

Now that we know how to keep lithium-ion batteries working longer, let’s look at why they can explode.

If the battery gets hot enough to ignite the electrolyte, you are going to get a fire. There are video clips and photos on the Web that show just how serious these fires can be. The CBC article,»Summer of the Exploding Laptop,» rounds up several of these incidents. 

When a fire like this happens, it is usually caused by an internal short in the battery. Recall from the previous section that lithium-ion cells contain a separator sheet that keeps the positive and negative electrodes apart. If that sheet gets punctured and the electrodes touch, the battery heats up very quickly. You may have experienced the kind of heat a battery can produce if you have ever put a normal 9-volt battery in your pocket. It a coin shorts across the two terminals, the battery gets quite hot. 

In a separator failure, that same kind of short happens inside the lithium-ion battery. Since lithium-ion batteries are so energetic, they get very hot. The heat causes the battery to vent the organic solvent used as an electrolyte, and the heat (or a nearby spark) can light it. Once that happens inside one of the cells, the heat of the fire cascades to the other cells and the whole pack goes up in flames. 

It is important to note that fires are very rare. Still, it only takes a couple of fires and a little media coverage to prompt a recall. 

Перевод на русский

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы в наши дни невероятно популярны. Вы можете найти их в ноутбуках, КПК, мобильных телефонах и плеерах iPod. Они так распространены, потому что являются одними из самых мощных доступных аккумуляторных батарей.
В последнее время в новостях также появились литий-ионные аккумуляторы. Это потому, что эти батареи обладают способностью время от времени воспламеняться. Это не очень распространенное явление — проблема возникает всего у двух или трех аккумуляторных батарей на миллион, — но когда это случается, это крайность. В некоторых ситуациях частота отказов может возрасти.
Итак, вопрос в том, что делает эти аккумуляторы такими энергичными и популярными? Как они загораются? И можете ли вы что-нибудь сделать, чтобы предотвратить проблему или продлить срок службы ваших аккумуляторов? В этой статье мы ответим на эти и другие вопросы.
Литий-ионные аккумуляторы популярны, поскольку обладают рядом важных преимуществ перед конкурирующими технологиями:
Как правило, они намного легче, чем другие типы аккумуляторных батарей того же размера. Электроды литий-ионной батареи изготовлены из легкого лития и углерода. Литий также является высокореактивным элементом, а это означает, что в его атомных связях может накапливаться много энергии. Это приводит к очень высокой плотности энергии литий-ионных аккумуляторов.
Вот способ получить представление о плотности энергии. Обычная литий-ионная батарея может накапливать 150 ватт-часов электроэнергии в 1 килограмме батареи. Аккумуляторная батарея NiMH (никель-металлгидридная) может накапливать около 100 ватт-часов на килограмм, хотя более типичным может быть 60-70 ватт-часов. Свинцово-кислотная батарея может накапливать всего 25 ватт-часов на килограмм. При использовании свинцово-кислотной технологии требуется 6 килограммов для хранения того же количества энергии, с которым может справиться литий-ионный аккумулятор весом 1 килограмм. Это огромная разница.
Они держат оборону. Литий-ионный аккумулятор теряет всего около 5 процентов своего заряда в месяц, по сравнению с 20-процентной потерей в месяц для NiMH-аккумуляторов.
Они не обладают эффектом памяти, что означает, что вам не нужно полностью разряжать их перед подзарядкой, как в случае с некоторыми другими химическими составами аккумуляторов.
Литий-ионные аккумуляторы выдерживают сотни циклов зарядки/разрядки.
Это не значит, что литий-ионные аккумуляторы безупречны. У них также есть несколько недостатков:
Они начинают деградировать, как только покидают фабрику. Они прослужат всего два-три года с даты изготовления, независимо от того, используете вы их или нет.
Они чрезвычайно чувствительны к высоким температурам. Нагрев приводит к тому, что литий-ионные аккумуляторы разлагаются гораздо быстрее, чем обычно.
Если вы полностью разрядите литий-ионный аккумулятор, он выйдет из строя.
Литий-ионный аккумулятор должен быть оснащен бортовым компьютером для управления аккумулятором. Это делает их еще более дорогими, чем они уже есть.
Существует небольшая вероятность того, что в случае выхода из строя литий-ионного аккумулятора он загорится.
Многие из этих характеристик можно понять, взглянув на химический состав литий-ионного элемента. Мы рассмотрим это далее.

Внутри литий-ионного аккумулятора и ячейки

Литий-ионные аккумуляторы бывают самых разных форм и размеров, но внутри все они выглядят примерно одинаково. Если бы вы разобрали аккумулятор ноутбука (что мы НЕ рекомендуем делать из-за возможности короткого замыкания аккумулятора и возникновения пожара), вы бы обнаружили следующее:
Литий-ионные элементы могут быть либо цилиндрическими, которые выглядят почти идентично элементам типа АА, либо призматическими, что означает, что они квадратные или прямоугольные
Компьютер, который включает в себя:
Один или несколько датчиков температуры для контроля температуры батареи
Схема преобразователя напряжения и регулятора для поддержания безопасных уровней напряжения и тока
Экранированный разъем для ноутбука, который позволяет питанию и информации поступать в аккумуляторную батарею и выходить из нее
Датчик напряжения, который контролирует энергетическую емкость отдельных элементов аккумуляторной батареи
Монитор состояния заряда батареи, представляющий собой небольшой компьютер, который управляет всем процессом зарядки, чтобы убедиться, что батареи заряжаются как можно быстрее и полностью.
Если аккумулятор слишком нагреется во время зарядки или использования, компьютер отключит подачу питания, чтобы попытаться охладить устройство. Если вы оставите свой ноутбук в сильно нагретой машине и попытаетесь воспользоваться ноутбуком, этот компьютер может не включиться до тех пор, пока все не остынет. Если элементы когда-нибудь полностью разрядятся, батарейный блок отключится из-за повреждения элементов. Он также может отслеживать количество циклов зарядки / разрядки и отправлять информацию, чтобы индикатор заряда батареи ноутбука мог сообщить вам, сколько заряда осталось в батарее.
Это довольно сложный маленький компьютер, и он питается от батареек. Такое потребление энергии является одной из причин, по которой литий-ионные аккумуляторы ежемесячно теряют 5 процентов своей мощности при простоях.

Литий-ионные элементы

Как и у большинства аккумуляторов, внешний корпус выполнен из металла. Использование металла здесь особенно важно, поскольку аккумулятор находится под давлением. В этом металлическом корпусе есть что-то вроде чувствительного к давлению вентиляционного отверстия. Если батарея когда-нибудь нагреется настолько, что может взорваться от избыточного давления, это вентиляционное отверстие сбросит дополнительное давление. Впоследствии аккумулятор, вероятно, будет бесполезен, так что этого следует избегать. Вентиляционное отверстие находится там строго в целях безопасности. Так же как и переключатель положительного температурного коэффициента (PTC) — устройство, которое, как предполагается, предохраняет аккумулятор от перегрева.
В этом металлическом футляре находится длинная спираль, состоящая из трех тонких листов, спрессованных вместе:

  • Положительный электрод
  • Отрицательный электрод
  • Разделитель

Внутри корпуса эти листы погружены в органический растворитель, который действует как электролит. Эфир является одним из распространенных растворителей.
Сепаратор представляет собой очень тонкий лист микроперфорированного пластика. Как следует из названия, он разделяет положительный и отрицательный электроды, позволяя ионам проходить через него.
Положительный электрод изготовлен из оксида кобальта лития, или LiCoO2. Отрицательный электрод изготовлен из углерода. Когда аккумулятор заряжается, ионы лития перемещаются по электролиту от положительного электрода к отрицательному электроду и присоединяются к углероду. Во время разряда ионы лития перемещаются обратно в LiCoO2 из углерода.
Движение этих ионов лития происходит при довольно высоком напряжении, поэтому каждая ячейка вырабатывает 3,7 вольта. Это намного выше, чем 1,5 вольта, характерные для обычного щелочного элемента типа АА, который вы покупаете в супермаркете, и помогает сделать литий-ионные аккумуляторы более компактными в небольших устройствах, таких как сотовые телефоны. Смотрите, как работают аккумуляторы, для получения подробной информации о различных химических свойствах аккумуляторов.
Мы рассмотрим, как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов и выясним, почему они могут взорваться в следующий раз.
Срок службы литий-ионной батареи и ее выход из строя
Литий-ионные аккумуляторы стоят дорого, поэтому, если вы хотите, чтобы ваши служили дольше, вот несколько вещей, о которых следует помнить:
Литий-ионный химический состав предпочитает частичный разряд глубокому, поэтому лучше избегать полного разряда батареи до нуля. Поскольку литий-ионный химический состав не обладает «памятью», частичный разряд не повредит аккумуляторной батарее. Если напряжение литий-ионного элемента падает ниже определенного уровня, он выходит из строя.
Литий-ионные аккумуляторы стареют. Их срок годности составляет всего два-три года, даже если они лежат на полке неиспользованными. Поэтому не «избегайте использования» аккумулятора, думая, что его срок службы составит пять лет. Этого не произойдет. Кроме того, если вы покупаете новый аккумулятор, вы хотите убедиться, что он действительно новый. Если он пролежал на полке в магазине год, то прослужит не очень долго. Даты изготовления очень важны.
Избегайте перегрева, которое приводит к повреждению батарей.

Взрывающиеся батареи

Теперь, когда мы знаем, как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов, давайте посмотрим, почему они могут взорваться.
Если батарея нагреется настолько, что электролит воспламенится, вы получите пожар. В Интернете есть видеоклипы и фотографии, которые показывают, насколько серьезными могут быть эти пожары. В статье CBC «Лето взорвавшегося ноутбука» рассказывается о нескольких из этих инцидентов.
Когда происходит подобный пожар, обычно это происходит из-за внутреннего короткого замыкания в батарее. Напомним из предыдущего раздела, что литий-ионные элементы содержат разделительный лист, который разделяет положительный и отрицательный электроды. Если этот лист проколется и электроды соприкоснутся, батарея очень быстро нагреется. Возможно, вы испытали на себе, какое тепло может выделять аккумулятор, если вы когда-либо клали в карман обычную 9-вольтовую батарею. Если монета замыкается на двух клеммах, батарея сильно нагревается.
При выходе из строя сепаратора такое же короткое замыкание происходит внутри литий-ионной батареи. Поскольку литий-ионные аккумуляторы обладают высокой энергией, они сильно нагреваются. Тепло приводит к выделению из батареи органического растворителя, используемого в качестве электролита, и тепло (или находящаяся поблизости искра) может привести к ее возгоранию. Как только это происходит внутри одной из ячеек, тепло от огня каскадом распространяется на другие ячейки, и вся стая охвачена пламенем.
Важно отметить, что пожары случаются очень редко. Тем не менее, требуется всего пара пожаров и небольшое освещение в средствах массовой информации, чтобы вызвать отзыв.