Восстановление и ремонт литий-ионных аккумуляторов


Аккумуляторы для мобильных устройств постоянно совершенствуются: увеличивается их емкость, повышается надежность и долговечность. Но даже сегодня АКБ – самое слабое место любого мобильного устройства, будь то телефон, планшет или ноутбук. В этой статье мы выясним, как восстановить аккумуляторы 18650 и некоторые другие после глубокого разряда.

Особенности литий-ионных аккумуляторов

Прежде всего выясним, что собой представляет литий-ионный аккумулятор и чем он отличается от источников тока других типов. Конструктивно литий-ионный (Li-ion) элемент представляет собой два электрода – положительный (катод) и отрицательный (анод). Первый выполнен из лития кобальтата, литий-марганца или литий-феррофосфата, нанесенных на алюминиевую подложку. Анод современного Li-ion элемента изготавливается из графита, нанесенного на медную подложку.

Между электродами установлен ионопроводящий сепаратор, пропитанный безводным электролитом. Во время разряда положительные ионы лития покидают катод и внедряются в кристаллическую решетку графита. Во время зарядки происходит обратный процесс.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Для увеличения электрической емкости элемента и уменьшения его габаритов анод, сепаратор и катод выполнены в виде довольно большого слоеного листа, свернутого в цилиндр (цилиндрические аккумуляторы), или сложен в виде «книжки» (плоские элементы).

Цилиндрический (слева) и плоский литий-ионные аккумуляторы 

Полезно! В некоторых случаях элементы (чаще цилиндрические в жестком корпусе) снабжаются предохранительными клапанами, сбрасывающими избыточное давление. Последнее создается газами, образующимися при неправильной эксплуатации аккумулятора.

В большинство источников питания этого типа встраиваются специальные контроллеры. Как они работают и для чего нужны, мы поговорим в следующем разделе. Если аккумулятор нужен для работы в составе батареи, то обычно в него контроллер не встраивается, а используется один для всей батареи.

Элементы этой батареи для ноутбука обслуживает один общий контроллер

В чем особенности литий-ионных аккумуляторов перед элементами и батареями другого типа? Рассмотрим их достоинства и недостатки.

Хорошее соотношение электрическая емкость/габаритыНизкий саморазрядСлабо выраженный эффект памятиСпособность отдавать высокие токи в нагрузкуНе нуждаются в обслуживанииНе переносят глубокого разряда и перезарядкиТеряют емкость на холодеВзрывоопасны при неправильной эксплуатации и поврежденииОтносительно небольшое (200-500) количество циклов заряд/разряд

Следует отметить, что существуют так называемые литий-полимерные аккумуляторы, использующие для своей работы электролит из полимерного материала. Это усовершенствованная конструкция литий-ионного перезаряжаемого элемента, работающая по точно такому же принципу. От своего старшего брата литий-полимерный элемент отличается более длительным сроком эксплуатации (до 800-900 циклов заряд/разряд).

Литий-полимерная батарея для мобильного телефона 

Как работает контроллер и для чего он нужен?

Главная особенность литиевых перезаряжаемых источников тока – они не терпят глубокого разряда и перезаряда. Стоит такой источник сильно разрядить или перезарядить, как его срок службы резко сократится, а емкость упадет.

Важно! Чаще всего разряженная до нуля литиевая батарея вообще выходит из строя, а перезарядка грозит не только потерей емкости и выходом из строя, но и возгоранием, а нередко и взрывом.

Для того чтобы предотвратить такую ситуацию, в литиевые батареи встраивают специальную электронную схему контроллер. Его задача – отключить батарею или аккумулятор от нагрузки при критической разрядке или от зарядного устройства, как только он полностью зарядится. Эта же схема следит за температурой батареи и при значительном перегреве отключает ее от нагрузки или зарядного устройства. Рассмотрим работу типовой схемы контроллера литий-ионного перезаряжаемого источника тока.

Схема контроллера Li-ion аккумулятора

Устройство представляет собой двухпороговый компаратор DW01-P и два мощных полевых MOSFET транзистора FET1 и FET2. Пока напряжение на элементе G1 находится в диапазоне 2.4-4.2 В, оба транзистора открыты. Элемент G1 подключен к клеммам BATT+ и BATT-, через которые его можно заряжать и разряжать. Как только напряжение упадет ниже 2.4 В, компаратор посчитает батарею полностью разряженной и закроет транзистор FET1, отключая источник тока от нагрузки. В таком состоянии элемент перестанет разряжаться, но зарядить его можно. Транзистор FET2 открыт, а диод, шунтирующий FET1, позволит зарядному току поступать на элемент G1.

В процессе зарядки напряжение на аккумуляторе повышается, и как только оно превысит нижний порог, FET1 откроется. Это позволяет пользоваться даже не до конца заряженной батареей. В процессе зарядки напряжение продолжает повышаться. Когда оно достигнет верхнего предела – 4.2 В, компаратор посчитает, что элемент G1 заряжен на 100%, и закроет транзистор FET2. Зарядка прекратится, но батарея может питать нагрузку через открытый FET1 и диод, шунтирующий FET2. Таким образом, аккумулятор, подключенный через контроллер, невозможно ни глубоко разрядить, ни перезарядить.

В более сложных схемах компаратор имеет еще один вход, к которому подключен датчик температуры. Как только элемент G1 нагреется до критической температуры (обычно 42-45 градусов Цельсия), микросхема закроет оба транзистора до тех пор, пока температура батареи не упадет до нормальной.

Важно! Подобным контроллером оснащаются не только элементы 18650, но и любые другие – цилиндрические 14500, 10440, плоские литий-ионные и литий-полимерные для телефонов, смартфонов и планшетов. Поэтому все, описанное в данной статье, относится и к ним.

Разобранный литий-полимерный аккумулятор для мобильного телефона 

Как проявляется износ

Даже правильно эксплуатирующийся источник тока со временем «устает» и в конце концов выходит из строя. Основным показателем износа Li-ion аккумулятора является потеря емкости. Такой источник быстро разряжается и не может выдать большой ток. Мобильное устройство приходится часто заряжать. Про такую батарею обычно говорят, что она «не держит».

Если емкость элемента питания сокращается на 20%, то можно считать, что аккумулятор выработал свой ресурс. Именно на такие показатели ориентируются производители, указывая срок эксплуатации и количество циклов заряд/разряд. Тем не менее даже после такой потери емкости батарея вполне пригодна к использованию, просто заряжать тот же смартфон или планшет придется чуть чаще. Но когда это «чуть чаще» превращается в «три раза на день», стоит задуматься о покупке новой батареи, поскольку пользоваться настолько изношенным элементом питания не только неудобно, но и небезопасно.

Читайте также:  Правила эксплуатации и зарядки литий-полимерных аккумуляторов

Еще одним признаком износа или скорого выхода аккумулятора из строя является повышенный его нагрев во время работы и зарядки. Да, пока еще температура не превысила критическую, и контроллер разрешает элементу работать, но это лишь временно. Таким образом, если крышка батарейного отсека мобильного устройства ощутимо нагревается во время работы или зарядки гаджета, то настало время аккумулятор заменить, не дожидаясь неприятностей. А неприятностей может быть немало, и самая безобидная – остаться без связи в самый неподходящий момент. Но намного хуже, если изношенный элемент вздуется и разорвет мобильное устройство или вообще загорится.

Вздувшаяся батарея может буквально разорвать гаджет

Способы восстановления

Сразу оговоримся, что полностью разряженный Li-ion  аккумулятор качественно восстановить не удастся. Да, его можно попытаться оживить, но полноценного или хотя бы приличного источника тока из него не сделать. И это только в том случае, если элемент не в обрыве и не замкнут. В этом случае восстановление литий-ионных аккумуляторов однозначно невозможно, а в случае внутреннего замыкания может быть и опасным.

О разборке и ремонте элементов этого типа вообще речи быть не может. Единственное, что можно сделать самостоятельно и без риска для здоровья, это заменить вышедший из строя контроллер. Ну а теперь перейдем непосредственно к решению основных проблем с литиевыми элементами.

Как толкнуть аккумулятор, если обычным способом не заряжается?

Начнем с самой распространенной неисправности батарея, установленная в устройство, не хочет заряжаться. Это может происходить по пяти причинам:

  1. Батарея сильно разрядилась, и встроенный контроллер запретил дальнейшую зарядку.
  2. Произошло внутреннее короткое замыкание.
  3. Батарея разрядилась «в ноль» и произошло повреждение ее внутренней структуры.
  4. Произошел внутренний обрыв.
  5. Вышел из строя встроенный в аккумулятор контроллер.

Первая проблема возникает в том случае, если батарея очень долго лежала без дела, особенно если до этого она была не полностью заряжена. Дело в том, что любой аккумулятор обладает саморазрядом и разряжается, даже когда просто лежит. У Li-ion саморазряд невелик, но он есть. Как только напряжение на элементе упадет ниже 2.4 В, контроллер запретит выдачу с нее напряжения.

Но почему в такой ситуации невозможна зарядка? Ведь мы выяснили, что даже при аварийном отключении от нагрузки батарею можно зарядить (см. раздел «Как работает контроллер и для чего он нужен?»).

Любое современный гаджет, работающий с литиевыми батареями, имеет собственный контроллер, следящий за состоянием элемента питания. Он отключает тот же телефон, плеер или фонарь, если напряжение на батарее снижается, но не до 2.4, а до 2.8-3 В и останавливает зарядку, если напряжение на элементе питания поднимается до 4 В. Таким образом, основным устройством защиты является контроллер гаджета, а тот, что встроен в батарейку, срабатывает только в действительно критических ситуациях и обычно бездействует.

А зарядка при срабатывании контроллера батареи невозможна потому, что схемы обслуживания батарейки во всех современных устройствах слишком умные. Если на контактах аккумулятора вообще нет напряжения, то они не начинают зарядку, хотя в принципе она возможна. Сделано это в целях безопасности. Ведь исчезновение выходного напряжения может быть вызвано не только срабатыванием системы защиты батареи, но и ее неисправностью. К примеру, внутренним коротким замыканием. А зарядка аккумулятора с КЗ вызовет вздутие самой батареи, ее перегрев и почти наверняка возгорание.

Можно ли убедить мобильное устройство зарядить такой аккумулятор? Вполне. Для этого достаточно заставить контроллер подключить элемент к выходу, чтобы на выходных клеммах появилось хоть какое-то напряжение. Если батарейка просто сильно разрядилась, то сделать это несложно – достаточно слегка ее подзарядить, подняв напряжение чуть выше 2.4 В, и контроллер ее подключит. А подзаряжать его мы будем самодельным зарядным устройством, для изготовления которого потребуется лишь пятивольтовая сетевая «зарядка» с портом USB от любого мобильного телефона, кабель с вилкой USB А, который не жалко испортить, и токоограничивающий резистор.

Вот и все, что понадобится для изготовления зарядного устройства

Для того чтобы «толкнуть» элемент, достаточно небольшого тока. Ограничимся значением 50 мА – это безопасно, если вдруг элемент имеет внутреннее замыкание, и не потребует много времени для подзарядки до отключения защиты. Рассчитаем номинал резистора, исходя из того, что элемент разряжен до 2 В. На резисторе должно упасть 3 В, ток через резистор – 50 мА. Воспользуемся формулой Ома. R = U / I = 3 / 0.05 = 60 Ом. Ближайший стандартный номинал – 62 Ом.

Теперь выберем мощность прибора, чтобы он выдержал максимально возможный ток. Это на случай, если элемент питания имеет внутреннее короткое замыкание. Рассчитаем ток через резистор при замкнутом аккумуляторе. I = U / R = 5 / 62 = 0.08 А или 80 мА. Считаем рассеиваемую на резисторе мощность. P = I х U = 0.08 х 5 = 0.4 Вт. Выбираем прибор мощностью 0.5 … 1 Вт. Вполне хватит.

Разделываем USB кабель и из четырех проводов оставляем только черный и красный. Вооружаемся паяльником и собираем схему «глупого» зарядного устройства, не обращающего внимания на отсутствие напряжения на батарее:

Схема устройства для начальной подзарядки литиевого аккумулятора

Важно! Ни в коем случае не подпаиваем провода к самому аккумулятору, а зажимаем их на клеммах батареи любым удобным способом – изолентой, скотчем или небольшими магнитами.

Подключение элемента при помощи магнитов
Читайте также:  Какие бывают типы аккумуляторов для автомобилей и чем они отличаются?

Подключаем конструкцию к сети и начинаем подзарядку, постоянно контролируя напряжение на батарее и ее температуру. Если элемент исправен и просто разрядился, буквально через несколько минут напряжение на нем поднимется до 3-3.2 В. При таком напряжении узел защиты уже подключит элемент к клеммам аккумулятора, и его можно будет зарядить в гаджете обычным способом. При токе зарядки 50 мА исправный аккумулятор абсолютно не должен нагреваться. Если он становится теплым на ощупь, то процесс нужно немедленно прекратить. Элемент неисправен, и от его реанимации лучше отказаться. Если все в порядке, снимаем аккумулятор с зарядки, устанавливаем в устройство и заряжаем обычным образом.

Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопросВажно! При внутреннем коротком замыкании сама батарея может не греться, нагреваться будет токоограничивающий резистор и, возможно, плата контроллера. Напряжение на клеммах в таком случае, естественно, никогда не поднимется до значения 3 В. Это тоже верный признак того, что батарея восстановлению не подлежит. Останавливаем реанимацию от греха подальше.

Что делать, если батарейка холодная, но прошло уже полчаса, а напряжение так и не поднялось или поднялось до 5 В сразу после подключения «зарядки»? Тут два варианта – либо элемент неисправен (внутренний обрыв или полная разрядка, разрушившая внутреннюю структуру аккумулятора), либо вышел из строя контроллер. Аккуратно разбираем аккумулятор и добираемся до платы контроллера. На цилиндрических аккумуляторах 18650 и им подобных он расположен на одном из торцов прибора. Чаще на минусовом, хотя есть модели с платами на «плюсе». Чтобы до нее добраться, достаточно аккуратно удалить покрытие батареи, выполненное из пленки.

Контроллер этого аккумулятора расположен на минусовом торце

В плоских батареях плату защиты можно найти со стороны контактов. У них так же удаляем защитную пленку и видим плату, подпаянную к клеммам элемента. Наша задача – замерить напряжение непосредственно на самом элементе. На фото ниже контакты для измерения обозначены стрелками.

Эти проводники – выходные контакты литиевого элемента

Если напряжение отсутствует, то дальше можно не продолжать. Выпаиваем контроллер (пригодится для ремонта других однотипных батареек), элемент утилизируем. Если на батарейке есть хотя бы 1.5 В, то можно попытаться ее восстановить, подключив нашу зарядку непосредственно к элементу. В процессе зарядки контролируем напряжение и обязательно температуру. Когда напряжение на клеммах поднимется до 3-3.2 В, зарядку прекращаем и измеряем напряжение на выходных клеммах батарейки после контроллера.

Появилось? Все в порядке. Собираем аккумулятор при помощи термоусадки или простого скотча (важно заизолировать боковые поверхности цилиндра). Устанавливаем в гаджет и заряжаем. Если напряжение на элементе есть, но на выходе после контроллера нет, то придется заменить плату электроники, которую можно взять из такого же, но «убитого» аккумулятора или просто купить.

Важно! Все вышеописанные действия справедливы лишь для литиевых аккумуляторов со встроенным контроллером. Элементы без схемы защиты таким образом «толкнуть» не удастся, поэтому не стоит и пытаться. Это не только бесполезно, но и небезопасно.

Восстановление емкости

Вторая наиболее распространенная проблема аккумуляторов этого (да и любого другого) типа – катастрофическая потеря емкости. Вообще, потеря емкости в процессе эксплуатации – нормальный эффект. Литий-ионные аккумуляторы теряют примерно 4-5% своей электрической емкости в год. Но если источник тока эксплуатируется неправильно или в жестких условиях (резкие перепады температуры, большие токи разряда, постоянный глубокий разряд, постоянный недозаряд или перезаряд и пр.), то процесс деградации ускоряется. Можно ли как-то восстановить емкость литий-ионного аккумулятора?

В сети болтается великое множество «мудрых» советов по восстановлению емкости Li-ion  батарей. Но читая подобные вещи, необходимо хорошо понимать, что их в большинстве своем пишут люди, которые не только далеки от электротехники, но и литиевую батарею от свинцовой не отличат. Они даже не пишут. Нашел «умную мысль» в интернете, отрерайтил для заполнения своего сайта с полной потерей смысла, разместил. С этого сайта отрерайтил (лучше бы откопипастил) еще один умник. В результате получается не только бесполезная, но и опасная для здоровья каша из букв, следуя которой, можно превратить литиевую батарею в противопехотную мину (см. раздел «Техника безопасности»).

Так можно ли восстановить емкость литиевого аккумулятора? Увы, нет. Можно попытаться улучшить этот показатель. Но сделать из старого, отслужившего срок элемента работоспособный не получится. Чуть улучшить характеристики возможно, хотя и сомнительно. Такой «оживленный» элемент можно использовать для других целей – питание неэнергоемких самоделок и пр. Но по прямому назначению их применить будет невозможно. Ну а теперь рассмотрим предлагаемые варианты «полного» восстановления литий-ионного аккумулятора, большинство из которых повторять не просто не надо, а категорически не стоит.

Заморозка

Берем аккумулятор, снимаем с него наклейку и помещаем в морозилку. После глубокой (не менее 2-3 ч) заморозки достаем и сразу же устанавливаем в гаджет. Заряжаем 1 минуту (ровно!), после чего 4 часа на отогрев до комнатной температуры, заряжаем и пользуемся новой батареей.

Аккумулятор в морозилке

Возникает справедливый вопрос – зачем ставить на зарядку вусмерть замороженный аккумулятор, который в таком состоянии не только что-то получить, но и отдать не может? Почему 1 минуту? Что произойдет за это время в замороженной до -15 батарее? Согласно каким законам физики аккумулятор, выработавший свой ресурс, после заморозки станет новым? И, в конце концов, зачем снимать наклейку?

Читайте также:  Неисправности блока питания компьютера и способы их устранения

Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопросЧто можно сказать по поводу такого метода? Результат такого эксперимента может быть любым: от полного отказа до воспламенения и взрыва. Но емкость элемента таким образом однозначно не увеличить.

Замыкание

Этот метод можно с уверенностью отнести к классической безголовости. Разбираем аккумулятор и замыкаем элемент напрямую, минуя контроллер. Замыкаем любым металлическим предметом – с этим согласны все «блогеры». А вот во времени замыкания мнения расходятся: от одной секунды у самых осторожных, до полуминуты у самых отважных.

Что тут можно сказать? Емкость батарейки таким диким методом никак не увеличить, а вот повредить внутреннюю структуру элемента вплоть до внутреннего замыкания элементарно. Результат: либо тихий покойник, либо покойник, успевший нажать на кнопку самоликвидации. При внутреннем замыкании элемент обязательно загорится. А при замыкании на 30 сек и внутреннее замыкание не нужно – он успешно перегреется и взорвется или загорится.

Прокалывание

Очень часто при неправильной эксплуатации или после выработки своего ресурса литиевый аккумулятор вздувается. Вызвано это усиленным газообразованием. И если цилиндрические элементы в жестком корпусе обычно оснащаются предохранительными клапанами, то плоские в гибком корпусе таких клапанов не имеют. В результате батарея из плоской превращается этакого Винни-Пуха.

Вздувшаяся батарея мобильного устройства

Чем грозит такая неприятность? Естественно, повреждением гаджета – даже просто «распухнув», элемент способен буквально разорвать устройство. Но он также может взорваться или загореться. Народные умельцы нашли выход из этого положения. Берется иголка и… протыкается оболочка аккумулятора. Как бы для того, чтобы газы вышли. Пробитый аккумулятор укладывается между книжками, получившийся бутерброд под ножку дивана. Сдулся? Заклеиваем дырку скотчем и пользуемся.

Но прежде чем хвататься за шило, подумаем – откуда появились газы? Появились они за счет необратимых химических процессов. Причину мы указали выше – неправильная эксплуатация или старость. И с тем и с другим диагнозом аккумулятор отработал свое. А если он еще и вздулся, то разговора о дальнейшей эксплуатации вообще не может быть. Но это цветочки. Ягодки в том, что, протыкая оболочку, мы запросто можем устроить внутреннее замыкание иглой.

Не удалось закоротить пластины иглой? Это может произойти из-за резкого сброса внутреннего давления и неизбежной деформации элемента. Результат все тот же – аккумулятор не оживает, но есть хорошие шансы выжечь себе глаза или поджечь гаджет. Причем загореться он может не сразу, а спустя некоторое время и без видимых причин. К примеру, ночью.

Вот проткнул так проткнул

Так стоит ли протыкать? Все будет зависеть от отваги протыкальщика. Если вы человек мужественный и бесстрашный, а гаджет не жалко, то можно попробовать.

Заряд-разряд

Суть метода заключается в следующем: батарею подвергают глубокому разряду, потом полностью заряжают, потом снова разряжают, заряжают и т. д. Для зарядки можно использовать наше «глупое» зарядное устройство, уменьшив номинал резистора до 30 Ом. В качестве нагрузки для разрядки подойдет такой же резистор. Если аккумулятор имеет встроенный контроллер, то процесс предельно прост. Заряжаем, пока не сработает защита и напряжение на клеммах не подскочит до 5 В. Разряжаем, пока напряжение на клеммах не исчезнет вовсе.

Если аккумулятор не имеет встроенного контроллера, то тут несколько сложнее. Придется постоянно контролировать напряжение на клеммах. Поднялось до 4.2 вольта – зарядку прекращаем. Упало до 1.8-2 вольт – прекращаем разрядку.

Насколько эффективен такой метод? Увы, для литиевых батарей малоэффективен, а если элемент сильно изношен, то неэффективен вовсе. Тем не менее можно попробовать: хуже уже не будет.

Полезно! Если в нашем распоряжении есть многофункциональный прибор SkyRC iMax B6 mini, то лучше воспользоваться им. Устройство самостоятельно «погоняет» аккумулятор и при работе с батареей даже проведет автоматическую балансировку отдельных элементов, работающих в составе АКБ.

SkyRC iMax B6 mini  

Техника безопасности

Нельзя сказать, что литиевый аккумулятор опасен, но при неправильной эксплуатации или неаккуратном обращении он может причинить немало бед. Поэтому, эксплуатируя прибор, оснащенный литиевыми батареями, ремонтируя или восстанавливая аккумуляторы, придерживаемся следующих несложных правил:

  • не оставляем приборы с аккумуляторами или сами аккумуляторы в местах, где они могут нагреться до температуры выше 60 градусов Цельсия. К примеру, возле отопительных приборов или на солнце;
  • используем для зарядки батарей только штатные зарядные устройства. При использовании самоделок постоянно контролируем ток, напряжение и температуру батареи. В таком режиме ни в коем случае не оставляем элемент питания без надзора;
  • не разбираем элемент питания ни под каким предлогом. Если мы разбираем аккумулятор для замены, к примеру, контроллера, делаем это очень осторожно, чтобы не повредить корпус элемента;
  • избегаем совместного использования старых и новых элементов;
  • не используем элементы без платы защиты (контроллера). Исключение составляют устройства, имеющие собственную плату защиты;
  • категорически запрещено давить элементы питания, прокалывать, сверлить и применять другие виды механического воздействия, которые могут каким-либо образом нарушить оболочку батареи. Каждое даже малейшее повреждение литиевой батареи потенциально опасно и может привести к возгоранию или взрыву;
  • при зарядке нештатными ЗУ не поднимаем зарядный ток выше 0.5 от емкости лучше меньше;
  • работая с аккумуляторами без контроллера, не допускаем их глубокого разряда и перезаряда.

И в завершение небольшое видео на тему «Как не надо ремонтировать аккумуляторы».

Вот мы и разобрались с особенностями литиевых аккумуляторов, выяснили, в каких случаях их ремонт и восстановление функционирования оправданы и возможны, а в каких бесполезны и даже опасны.


Оцените статью
Лучший сайт про ремонт, строительство и эксплуатацию бытовой техники