Полимерные аккумуляторы для телефонов. Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы

Аккумуляторы: Li-ion, Li-Pol, Li-ion-pol и правила их эксплуатации

Немного истории и теории:

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые появились в бытовых устройствах. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за возникших проблем в обеспечении их безопасной эксплуатации.

Литий - самый легкий из всех металлов, имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды способны обеспечить и высокое напряжение, и превосходную емкость. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах, было выяснено, что циклическая работа (заряд - разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, уменьшающим тепловую стабильность и вызывающим потенциальную возможность выхода теплового состояния из-под контроля. В случае, когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития и возникает бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения и причинения ожогов людям.

Из-за свойственной литию неустойчивости, исследователи повернули свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов - обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd а в перспективе, с применением новых активных материалов, предполагается увеличить ее еще и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости, Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристики подобна, и отличается лишь напряжением).

На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов , причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но с потребительской точки зрения отличить их по внешнему виду не представляется возможным. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам и рассмотрим причины вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.

Основные преимущества:

• Высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
• Низкий саморазряд.
• Высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию, и зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие изготовители сегодня ориентируются на применение для сотовых телефонов именно такого одноэлементного аккумулятора (вспомните Nokia). Однако чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.
• Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов), поскольку отсутствует эффект памяти и не требуются периодические циклы разряда для восстановления емкости.

И недостатки:

• Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует температура элемента. В результате, возможность металлизации лития практически исключена.
• Аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion аккумуляторов. По вполне очевидным причинам, производители об этой проблеме умалчивают. Небольшое уменьшение емкости заметно после одного года, вне зависимости от того, находился аккумулятор в использовании или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к эксплуатации. Впрочем, и аккумуляторы других электрохимических систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров (это - особенно справедливо для NiMH, подвергающихся воздействию высокой температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения храните заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона.
• Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами.

Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Примерно каждые шесть месяцев она обновляется и становится трудно оценить, как хорошо ведут себя новые аккумуляторы после длительного хранения.

Словом, всем хорош Li-ion аккумулятор, но есть некоторые проблемы в обеспечение безопасности эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer ) аккумуляторов.

Основное их отличие от Li-ion заложено в самом названии и заключается в типе используемого электролита. Использовали сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом, который используется в литий-ионных аккумуляторных батареях.

Такая конструкция упрощает процесс изготовления, более безопасна и позволяет производить тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствует опасность воспламенения, поскольку нет жидкого или гелевого электролита. При толщине элемента около одного миллиметра, разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, требуемую для современных устройств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В тоже время при нагревании до 60 °C и более электропроводность увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится.

Вы спросите как же так, на рынке вовсю продаются Li-polymer аккумуляторы, изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того, чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Называются они литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях и для продвижения на рынке, маркируют их просто как Li-polymer.

Прежде всего, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обоих систем очень похожи, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности.

Все современные телефоны, смартфоны и КПК снабжены аккумуляторами на литиевой основе: литий-ионными или литий-полимерными, поэтому в дальнейшем речь будет идти именно о них. Такие аккумуляторы имеют замечательную ёмкость и сроки службы, но требуют очень жёсткого следования определённым правилам эксплуатации.

Эти правила можно разделить на две группы:

• Не зависящие от пользователя
• Зависящие от пользователя.

В первую группу входят основополагающие правила заряда и разряда аккумуляторов, которые контролируются встроенным в аккумулятор устройством (контроллером), а также иногда дополнительным контроллером, располагающимся в самом устройстве. Эти правила просты:

• Аккумулятор всю свою жизнь должен находиться в состоянии, при котором его напряжение не превышает 4.2 вольта и не опускается ниже 2.7 вольта. Эти напряжения являются показателями соответственно максимального (100%) и минимального (0%) заряда. Минимальное напряжение, указанное выше, применимо к аккумуляторам с электродами, выполненными из кокса, однако большинство современных аккумуляторов имеет электроды из графита. Для них минимальное напряжение равно 3 вольта.
• Количество энергии, отдаваемой аккумулятором при изменении его заряда от 100% до 0%, - это его ёмкость. Некоторые производители ограничивают максимальное напряжение 4.1 вольтами, при этом аккумулятор живёт подольше, но его ёмкость снижается примерно на 10%. Также иногда нижний порог повышается до 3.0-3.3 вольт, в зависимости от материала электродов, с такими же последствиями.
• Наибольшая долговечность аккумулятора достигается при примерно 45-процентном заряде, а при увеличении или уменьшении степени заряда срок жизни аккумулятора уменьшается. Если заряд находится в пределах, которые обеспечивает контроллер аккумулятора (см. выше), изменение долговечности не значительно.
• Если в силу обстоятельств напряжение на аккумуляторе выходит за пределы, указанные выше, даже на непродолжительное время, срок его жизни драматически уменьшается. Такие состояния называются перезаряд и переразряд и являются очень опасными для аккумулятора.

Контроллеры аккумуляторов, предназначенные для разных устройств, если они (контроллеры) изготовлены с надлежащим качеством, никогда не позволяют напряжению на аккумуляторе во время заряда стать больше 4.2 вольта, но, в зависимости от предназначения батареи, могут по-разному ограничивать минимальное напряжение при разряде. Так, в аккумуляторе, предназначенном для, скажем, шуруповёрта или моторчика модели автомобиля, минимальное напряжение, скорее всего, будет действительно минимально допустимым, а для КПК или смартфона - повыше, ибо минимального напряжения в 2.7-3.0 вольт может просто не хватить для работы электроники девайса. Поэтому в сложных устройствах типа телефонов, КПК и т.п. работу контроллера, встроенного в сам аккумулятор, дополняет контроллер в самом устройстве.

Поговорим о процессе заряда литиевых аккумуляторов. Зарядное устройство любого литиевого аккумулятора представляет собой источник постоянного напряжения в 5 вольт, способный отдавать для заряда ток, равный примерно 0.5-1.0 емкости аккумулятора. Так, если емкость аккумулятора равна 1000 mA h, зарядное устройство должно обеспечить ток заряда не менее 500 mA, а номинально - 1 ампер.

Существует несколько режимов заряда литиевых аккумуляторов.

Начнём с режима, являющегося стандартным в компании Sony. Этот режим требует длительного времени заряда, сложного контроллера, но обеспечивает наиболее полный заряд аккумулятора.

На первом этапе зарядки, длящемся приблизительно 1 час, аккумулятор заряжается током постоянной величины до достижения напряжения в 4.2 вольта на аккумуляторе. После этого начинается второй этап, длящийся также около часа, во время которого контроллер, поддерживая напряжение на аккумуляторе ровно в 4.2 вольта, постепенно уменьшает зарядный ток. При уменьшении зарядного тока до определённой величины (порядка 0.2 от ёмкости аккумулятора) начинается третий этап зарядки, в течение которого зарядный ток продолжает уменьшаться, а напряжение на клеммах аккумулятора сохраняется на прежнем уровне - 4.2 вольта. Третий этап, в отличие от первых двух, имеет строго определенную длительность, определяемую встроенным в контроллер таймером, - 1 час. По истечении третьего этапа контроллер полностью отключает аккумулятор от зарядного устройства.

Степень заряженности аккумулятора в конце первого этапа равна 70%, в конце второго - 90%, а в конце третьего - 100%.

Многие компании, стремясь к удешевлению своих устройств, используют упрощенные режимы заряда аккумуляторов, например, прекращая заряд при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2 вольта, то есть используя только первый этап зарядки. В этом случае аккумулятор заряжается быстро, но, увы, только до 70% своей реальной емкости. Определить, что в вашем устройстве именно такой, упрощенный контроллер нетрудно, - для полноценной зарядки требуется примерно 3 часа, не меньше.

Во вторую группу входят правила эксплуатации, на которые мы с вами можем влиять, тем самым значительно увеличивая или уменьшая срок жизни аккумулятора. Эти правила следующие:

• нужно стараться не доводить аккумулятор до минимального заряда и, тем более, до состояния, когда машинка сама выключается, ну, а если так случилось, то нужно зарядить аккумулятор как можно скорее.
• не нужно бояться частых подзарядок, в том числе и частичных, когда полный заряд не достигается - аккумулятору это не вредит.

вопреки сложившемуся у многих пользователей мнению, перезаряд вредит литиевым аккумуляторам не меньше, а даже больше, чем глубокий разряд. Контроллер, конечно, ограничивает максимальный уровень заряда, но есть одна тонкость. Хорошо известно, что ёмкость аккумуляторов зависит от температуры. Так, если, например, мы зарядили аккумулятор при комнатной температуре и получили заряд 100%, то при выходе на мороз и остывании машинки степень заряженности аккумулятора может снизиться до 80% и ниже. Но может быть и обратная ситуация. Аккумулятор, заряженный при комнатной температуре до 100%, будучи немножко нагрет, станет заряженным, скажем, до 105%, а это для него очень и очень неблагоприятно. Такие ситуации встречаются при эксплуатации машинки, длительное время находящейся в кредле. Во время работы температура девайса и вместе с ним аккумулятора повышается, а ведь заряд уже полный…

В связи с этим правило гласит: если Вам необходимо работать в кредле, сначала отсоедините машинку от зарядки, поработайте на ней, а когда она выйдет на “боевой” температурный режим, подключайте зарядку.

Кстати, это правило также касается владельцев ноутбуков и прочих гаджетов.

Идеальные условия для длительного хранения аккумулятора - это нахождение вне девайса с зарядом примерно 50%. Исправный аккумулятор при этом не требует заботы о себе месяцами (порядка полугода).

И напоследок еще немного информации.

• - Вопреки сложившемуся мнению, литиевые аккумуляторы, в отличие от никелевых, почти не обладают “эффектом памяти”, поэтому, так называемая, “тренировка” нового литиевого аккумулятора практически не имеет смысла. Для собственного успокоения достаточно один-два раза полностью зарядить-разрядить новый аккумулятор. Это нужно для калибровки дополнительного контроллера.
• - Владельцы устройств знают, что можно заряжать батарею как от зарядного устройства, так и от USB. При этом зачастую вызывает недоумение невозможность зарядки от USB. Дело в том, что по “закону” USB-контроллер должен отдавать периферийным устройствам, подключенным к нему, ток около 500 mA. Однако бывают ситуации, когда либо сам контроллер не может обеспечить такой ток, либо устройство подключают к USB контроллеру, на котором уже висит какая-то периферия, потребляющая часть мощности. Вот и не хватает тока для зарядки, особенно если аккумулятор разряжен слишком сильно.
• - Литийсодержащие аккумуляторы ОЧЕНЬ НЕ ЛЮБЯТ ЗАМОРАЖИВАНИЕ. Всегда старайтесь избегать пользования машинкой на сильном морозе - увлечетесь, и аккумулятор придётся менять. Конечно, если Вы достали машинку из тёплого внутреннего кармана куртки и сделали пару заметок или звонков, а потом положили зверька обратно, проблем не будет.
• - Практика показывает, что литиевые батареи (не только аккумуляторы) снижают свою ёмкость при уменьшении атмосферного давления (в высокогорье, в самолете). Вреда батареям это не приносит, но знать об этом следует.
• - Бывает, что после приобретения аккумулятора повышенной ёмкости (скажем, 2200 mA h вместо штатных 1100 mA h) машинка через пару дней пользования новым аккумулятором начинает странно себя вести: виснет, отключается, зарядка аккумулятора, вроде, происходит, но как-то странно, и т.п. Не исключено, что ваше зарядное устройство, которое с успехом работает на “родном” аккумуляторе, просто не в состоянии обеспечить достаточный ток зарядки аккумулятора большой ёмкости. Выход - приобретение зарядного устройства с большим отдаваемым током (скажем, 2 ампера вместо прежнего 1 ампера).

6 пользователям понравился пост

Электрический аккумулятор — это химический источник электрического тока многоразового действия. В аккумуляторах такого типа происходят обратимые внутренние химические процессы, которые обеспечивают многократное циклическое их использование (заряд/разряд) для накопления электрической энергии и питания различного электрического оборудования при отсутствия доступа к бытовой электрической сети.

Принцип действия аккумуляторов основан на обратимости химических реакций, протекающих в них. Накопление заряда аккумулятора осуществляется при помощи его зарядки, то есть пропусканием электрического тока в обратном направлении, относительно движению тока при разряде аккумулятора.

Аккумуляторная батарея - это несколько аккумуляторов, соединенных вместе в одну электрическую цепь.

Основная характеристика аккумулятора – это его емкость. Емкость аккумулятора – это максимально возможный полезный заряд аккумулятора. Или другими словами, емкость аккумулятора - это количество энергии, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ емкость аккумуляторов измеряется в кулонах, но обычно используется внесистемная единица - ампер-час. 1 А/ч = 3600 Кл. Также емкость аккумулятора может быть указана в ватт-часах. Другая основная характеристика электрических аккумуляторов – это выходное напряжение аккумулятора. Зная выходное напряжение аккумулятора, можно легко перевести емкость аккумулятора, указанную в ватт-часах, в более распространенную – ампер-час.

Электрические характеристики аккумуляторов зависят от материала электродов и состава электролита. В таблице, указанной ниже, приведены наиболее используемые типы электрических аккумуляторов.

В процессе использования аккумулятора, его выходное напряжение и ток падают. При использовании всего заряда аккумулятор перестает действовать. Заряжают аккумуляторы от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Обычно зарядный ток, измеряемый в амперах, имеет значение в 1/10 от номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах). Некоторые типы аккумуляторов имеют разные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке аккумулятора и при его эксплуатации. Например, NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, а литиевые аккумуляторы - к переразряду, напряжению и температуре окружающей среды. NiCd и NiMH-аккумуляторы имеют “эффект памяти”. Он выражается в снижении емкости аккумулятора при осуществлении зарядки не полностью разряженного аккумулятора. Также такие типы аккумуляторов обладают существенным саморазрядом, то есть, они постепенно теряют заряд, даже когда они не подключены к нагрузке. В борьбе с этим эффектом помогает капельная подзарядка.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) - тип электрического аккумулятора, который наиболее широко распространен в современных бытовых электронных устройствах. Сейчас такие аккумуляторы применяются в мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах, электромобилях, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и т.д.

Впервые разработкой литиевых аккумуляторов занялся Г.Н. Льюис в 1912 году. Но только в 1970-х годах начали появляться первые коммерческие экземпляры первичных литиевых элементов.

В 80-х годах прошлого столетия было проведено большое количество экспериментов, в ходе которых было выяснено, что при циклировании источника тока с металлическим литиевым электродом на поверхности лития формируются дендриты. В результате дендриты прорастают до положительного электрода и происходит короткое замыкание внутри литиевого элемента. Это выводило такие источники питания из строя. Температура внутри аккумулятора при этом достигает температуры плавления лития. Это провоцирует взрыв элемента питания.

Пытаясь разработать безопасный литиевый источник тока, инженеры привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития в аккумуляторе на соединения внедрения лития в угле и оксидах переходных металлов. Самыми используемыми материалами для создания литиевых батарей являются графит и литийкобальтоксид (LiCoO2). В таком элементе питания в ходе заряда-разряда ионы лития переходят из одного электрода внедрения в другой и обратно. Хотя такие электродные материалы имеют в несколько раз меньшую по сравнению с литием удельную электрическую энергию, но при этом батареи на их основе являются гораздо более безопасными. Первые литий-ионные аккумуляторы были разработаны компанией Sony в 1991 году. В настоящее время Sony является крупнейшим производителем элементов питания на основе лития.

Характеристики:

Энергетическая плотность: от 110 до 200 Вт*ч/кг

Внутреннее сопротивление: от 150 до 250 мОм (для батареи 7,2 В)

Число циклов заряд/разряд до потери 20 % ёмкости: от 500 до 1000

Время быстрого заряда: 2-4 часа

Допустимый перезаряд: очень низкий

Саморазряд при комнатной температуре: около 7 % в год

Напряжение максимальное в элементе: около 4,2 В (аккумулятор полностью заряжен)

Напряжение минимальное: около 2,5 В (аккумулятор полностью разряжен)

Ток нагрузки относительно ёмкости (С):

Пиковый: больше 2С

Наиболее приемлемый: не более 1С

Диапазон рабочих температур: от −20 °C до +60 °C

Устройство .

Изначально в качестве анодов использовался кокс, но в дальнейшем стал использоваться графит. В качестве катода используют оксиды лития с кобальтом или марганцем.

При заряде литий-ионных батарей происходит следующая химическая реакция:

на катодах: LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe −

на анодах: С + xLi + + xe − → CLi x

Во время зарядки аккумулятора происходит обратная реакция.

Преимущества литиевых аккумуляторов.

1. Высокая энергетическая плотность.

2. Низкий саморазряд.

3. Отсутствие “эффекта памяти”.

4. Простота использования.

Недостатки литиевых аккумуляторов.

1. Литий-ионные аккумуляторы подвержены взрывному разрушению при перезаряде или при перегреве. Во избежание этого эффекта все бытовые литиевые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая контролирует заряд аккумулятора, не допуская его перезаряд и перегрева.

2. При неаккуратном использовании аккумуляторы могут иметь более короткий жизненный цикл по сравнению с другими типами аккумуляторов. Глубокий разряд аккумулятора полностью выводит из строя литий-ионные элементы.

3. Оптимальные условия хранения литий-ионных аккумуляторов достигаются при 40-50 %-ом заряде от емкости аккумулятора и при окружающей температуре около 5 °C. Низкая температура является более важным фактором для не больших потерь емкости при долговременном хранении.

4. Строгие условия зарядки литий-ионных батарей делают крайне не удобным их применение в альтернативной энергетике. Происходит это из-за того, что ветряки и солнечные панели не могут обеспечить постоянный ток на всём протяжении цикла заряда.

Старение.

Даже если литиевый аккумулятор не используется, он начинает стареть сразу после производства.

Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы уменьшают свою емкость, в отличие от никелевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов, под воздействием заряда. Чем больше заряд аккумулятора и температура при его хранении, тем меньше срок его службы. Хранить литиевые аккумуляторы лучше заряженными на 40-50% и при температуре от 0 до 10 °C. Перезаряд, также как и переразряд, уменьшает емкость таких аккумуляторов.

Литий-полимерный аккумулятор (Li-pol или Li-polymer) - это наиболее совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита в нем применяется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Они широко используются в смартфонах, мобильниках и прочей цифровой технике.

Обычные бытовые литий-полимерные аккумуляторы не могут отдавать большой ток, но разработаны специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, которые могут отдавать ток в 10 и более раз, превышающий численное значение емкости. Такие аккумуляторы нашли широкое применение в радиоуправляемых моделей, а также в электроинструменте и в некоторых современных электромобилях. Подобные аккумуляторы применяются в новой технологии преобразования энергии торможения - KERS.

Преимущества литий-полимерных аккумуляторов.

1. Большая плотность энергии на единицу объёма и массы.

2. Низкий саморазряд.

3. Малая толщина элементов - от 1 мм.

4. Возможность получать очень гибкие формы;

5. Не большой перепад напряжения по мере разряда.

6. Количество рабочих циклов – от 300 до 500, при разрядных токах в 2С до потери емкости в 20%.

Недостатки литий-полимерных аккумуляторов.

1. Аккумуляторы пожароопасны при перезаряде или при перегреве. Во избежание этого эффекта все бытовые литиевые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая контролирует заряд аккумулятора, не допуская его перезаряд и перегрева. Также требуются специальные алгоритмы зарядных устройств.

2. Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов ограничен. Эти элементы плохо работают на холоде.

Также как и литий-ионные аккумуляторы, литий-полимерные аккумуляторы подвержены старению.

Внимание! При использовании материалов сайта ссылка на обязательна.

Постоянное развитие технологий благоприятно сказывается на множестве аспектов жизни людей. Наличие потребности иметь высокопроизводительные источники питания с хорошим соотношением уровня безопасности, стоимости и эксплуатационных качеств, привели к созданию литий полимерных элементов.

Содрежание

Что такое литий полимерный аккумулятор

Li polymer аккумуляторы являются гальваническими источниками питания, в которых в качестве электролита используются полимерные материалы, насыщенные литием.

Литий полимерная технология стала новым этапом развития литий-ионных источников питания, который удешевил процесс их производства и позволил создавать миниатюрные и гибкие батареи.

При покупке и использовании таких батарей необходимо понимать нанесенную на них маркировку, которая имеет следующие особенности:

• емкость АКБ обозначается в mAh;
• число рядом с английской буквой S в маркировке обозначает количество отдельных элементов (банок) в батарее, каждая из которых имеет номинальное напряжение 3,7 вольта и максимальное – 4,2 вольта;
• число рядом с буквой C означает максимальную токоотдачу в единицах C. Максимальный ток разряда в миллиамперах в час равен емкости АКБ, умноженной на эту величину;
• число рядом с буквой P обозначает количество параллельно включенных банок. При использовании одной банки эту величину обычно не указывают.

Таким образом, обозначение 2600 mAh 3S 20C обозначает Li-polymer батарею емкостью 2600 мАч с номинальным напряжением 11,1 вольт (максимальным 12,6 вольт), с тремя последовательно соединенными банками и допустимым током разряда 52 ампера (2600х20=52000 мА).

Как осуществляется производство литий полимерных аккумуляторов

При производстве Li-polymer источников питания используется такая технология:

1. Осуществляется контролируемое нанесение суспензии с активными материалами катода и анода (два разных процесса) на поверхность алюминиевой или медной фольги, которая выступает в роли токоприемника.
2. Фольга с нанесенным материалом сушится, нарезается на элементы необходимого размера и формы.
3. Осуществляется подготовка полимерного электролитного сепаратора, который затем помещают между слоями фольги с активными материалами катода и анода.
4. Производится сборка многослойной батареи, ее герметизация и просушка.
5. При использовании полимерного сепаратора, требующего наличия вкраплений гелевого электролита, осуществляется его заполнение нужным количеством электролитной жидкости.
6. Производится установка контактных площадок, упаковка в защитную оболочку и обрезка ее выступающих частей.
7. Устанавливаются внешние клеммы аккумуляторов.
8. Производится контрольный цикл зарядки/разрядки и тестирование.
9. Осуществляется отбраковка, сортировка по емкости и нанесение соответствующих обозначений.
10. При необходимости к клеммам батареи подпаиваются провода.
11. Осуществляется контроль качества, упаковка элементов батареи в корпус, на который наносят необходимую маркировку и упаковку.

Принцип работы и устройство литий полимерного аккумулятора

Принцип работы Li pol батарей основан на использовании полупроводникового эффекта в полимерных веществах с включениями ионов электролита. Добавление электролита в полимеры вызывает увеличение их ионной проводимости при сохранении изоляционных свойств пластика по отношению к электронам.

Электродвижущая сила в отношении ионов лития возникает в результате обратимой химической реакции между анодом (плюсом) из углерода (обычно графит) и катодом (минусом) из кобальта, оксида ванадия или марганца, помещенными в полимерный электролит с солями лития.

Существует три вида полимерных электролитов:

1. Полностью сухие полимерные электролиты, которые представляют собой пластик с добавлением солей лития – дают малый ток при комнатных температурах, недостаточный для большинства современных устройств и стоят дороже обычных литий-ионных батарей.
2. Гелеобразные полимерные электролиты, которые представляют собой сухие полимерные электролиты с вкраплениями пластификаторов-растворителей – имеют приемлемые показатели емкости, силы тока и стоимости и наиболее часто применяются на практике.
3. Неводные растворы солей лития, распределенные в микропористой полимерной матрице с помощью абсорбирования.

Массово продающиеся Li Po аккумуляторы фактически являются гибридами, совмещающими в себе не только чистый сухой полимерный электролит, но и небольшое количество гелевого электролита, который содержат и литий-ионные источники.

Добавление вкраплений гелевого электролита в твердый полимерный электролит увеличивает его ионную электропроводность и электрические характеристики, в частности, увеличивается рабочий ток до величины, необходимой для большинства современных малогабаритных устройств.

Литий полимерный аккумулятор: плюсы и минусы

Li-polymer источники питания имеют следующие преимущества:

• высокая энергетическая плотность по отношению к их массе, большая, чем у никель-кадмиевых АКБ в 4-5 раз, и в 3-4 раза большая, чем у никель-металлогидридных источников питания;
• малый ток саморазряда и высокая токооотдача;
• возможность создания гибких и очень тонких изделий;
• отсутствие эффекта памяти;
• сохранение напряжения в допустимых пределах при рабочем разряде;
• большой диапазон допустимых температур при эксплуатации (от -20 до +40 градусов).

Литий-полимерным батареям присущи некоторые недостатки:

• пожароопасность в случае перезаряда/перегрева. Эти батареи требуют использования защитной электроники, которая отслеживает зарядной ток и температуру, а также специального алгоритма зарядки;
• эффект старения, приводящий к снижению емкости при долгом хранении и эксплуатации (считается, что АКБ теряет до 20% емкости за каждый год);
• выход из строя при глубоком разряде (ниже 3 вольт);
• боязнь перегрева выше 60 градусов и перезаряда выше 4,2 вольта (при напряжении выше 4.5 вольт возможен взрыв);
• использование тонкой оболочки (обычно в виде фольги) в некоторых таких батареях удешевляет стоимость Li Pol элементов, но в то же время уменьшает их прочность.

Где применяются Li Pol АКБ

Этот вид источников питания благодаря небольшому весу и высокой мощности широко применяется для обеспечения питания малогабаритных и крупногабаритных устройств, среди которых:

• мобильные телефоны и смартфоны;
• радиоуправляемые модели, квадракоптеры, микросамолеты;
• электроинструмент;
• цифровая техника, ультрабуки;
• электромобили.

Правила эксплуатации Li Pol аккумуляторов

Для обеспечения необходимого уровня безопасности и продления срока эксплуатации исправных батарей, необходимо придерживаться следующих правил:

1. при наличии повреждений, вздутости элементов питания, их нельзя использовать, а необходимо подвергнуть утилизации;
2. заряд батарей нужно производить качественным зарядным устройством под присмотром, не допуская перегрева батареи. Если во время зарядки появляется запах гари, вздутие, воспламенение, необходимо немедленно ее прекратить и отключить АКБ от зарядного устройства;
3. лучше производить зарядку на негорючей поверхности, например на керамической плитке или фарфоровой тарелке, после полной зарядки источника питания лучше дать ему остыть и только потом начинать его использовать;
4. нельзя допускать разряда ниже 3 вольт, перегрева или переохлаждения, которые уменьшают емкость и общее количество циклов заряда-разряда;
5. наибольшая продолжительность эксплуатации LiPo элементов достигается при поддержании их уровня заряда на уровне 45%;
6. самый лучший зарядный режим для LiPo АКБ осуществляется зарядными устройствами от компании Sony на протяжении примерно трех часов. Он проходит в три этапа:
   • Сначала на протяжении примерно одного часа производится зарядка до 70% постоянным током величиной 0,5-1 от величины токоотдачи батареи до напряжения 4,2 вольта;
   • Подзарядка продолжительностью 1 час до 90% напряжением не более 4,2 вольта с постепенно уменьшающимся током (до примерно 0,2 от токоотдачи);
   • На третьем этапе производится подзарядка на протяжении часа до 100% небольшим постоянно уменьшающимся током.

Дешевые зарядные устройства заканчивают заряд на первом этапе, по достижению напряжения 4,2 v, поэтому батарея не набирает своей полной емкости.

• не допускать ударов по батарее, коротких замыканий или разряда очень высокими токами, перезарядки выше 4,2 вольт на элемент составной батареи - все эти причины могут вызвать пожар;
• если используются составные батареи из нескольких Li Pol элементов, то их заряд лучше производить по отдельности, либо использовать специальный выравнивающий заряд с балансировкой по каждому элементу. Принцип работы такого устройства заключается в остановке заряда отдельных элементов по достижении ими напряжения около 4,17 вольт;
• перед вводом в эксплуатацию новых батарей лучше произвести их калибровку путем двухразового полного заряда и разряда.

В некоторых Li Pol батареях при разряде ниже 2,5 вольт возможна металлизация лития, которая приводит к созданию токопроводящих мостиков внутри батареи и короткому замыканию. При зарядке такой батареи происходит неконтролируемый нагрев, который может привести к взрыву такого источника питания. Поэтому батареи, в которых напряжение упало ниже критического уровня 3 вольт лучше уже не использовать, а при падении напряжения до 2,5 вольт и ниже они подлежат обязательной утилизации.

Как хранить литий полимерный аккумуляторы

Хранить заряженные LiPo батареи желательно в защитных чехлах при комнатной температуре при зарядке на уровне 3,6-3,8 вольт.

Перед постановкой на хранение LiPo элементов рекомендуется их зарядить до 40-50%, отключить от устройств, которые они питают и периодически, хотя бы раз в полгода проверять уровень заряда.

Утилизация литий полимерных аккумуляторов

Утилизация LiPo источников питания имеет особую актуальность в связи с их высокой пожароопасностью. Они менее токсичны, чем никель-кадмиевые батареи, но все же содержат вредные для экологии вещества.

Чтобы полностью и безопасно утилизировать Li-polymer элементы питания необходимо соблюдать следующие требования:

• утилизация разряженных батарей производится в пластиковых контейнерах с водно-солевым раствором (примерно полстакана соли на 1 литр воды) на протяжении около 2-х недель (до прекращения газообразования) в нежилом помещении. После этого их можно выбрасывать с обычным мусором;
• перед утилизацией батареи должны быть разряженными хотя бы до одного вольта (это можно делать лампочкой в качестве нагрузки);
• если корпус батареи поврежден, то ее не нужно разряжать, а необходимо произвести утилизацию в водно-солевом растворе;
• если разряд производится током более допустимого, связанного с величиной максимальной токоотдачи C, то батарея должна находиться в ведре с песком или в другом месте с защитой от возгорания;
• не допускается механическое разрушение необработанных в солевом растворе батарей, из-за которого может произойти возгорание. Особенно опасны в этом отношении элементы питания с кобальтовым катодом.

Полимерный аккумулятор – модернизированная разновидность литиевых источников питания. В качестве наполнителя для литиево-полимерной батареи используется специальный гель, обладающий определенными особенностями.

Для того чтобы решить, стоит ли пользоваться li pol усовершенствованными аккумуляторами, нужно изучить определенную информацию, учесть преимуществ и недостатки.

Работоспособность оборудования, портативного устройства или установки во многом зависит от того, насколько правильно подобран источник питания. Так, для комплектации портативных зарядников используется литий ионный или литий ионный полимерный аккумулятор. Для того чтобы сделать правильный выбор, нужно знать, различие в чем. Обязателен учет плюсов и минусов источников питания.

Интересное видео про литиево-полимерные акб.

Литиево-ионные аккумуляторы

Демонстрация первых ионных аккумуляторов произошла еще в прошлом столетии. Тогда разработчики представили модели, электроды в которых были подготовлены из металлического лития. Они отличались низким уровнем безопасности, непродолжительной эксплуатацией. Поэтому металлический литий и заменили ионами li.

Модернизированная литиево-ионная акб имеет такие преимущества:

• Повышенная емкость, плотность электролита.
• Возможность эксплуатации при более высоком напряжении.
• Простота обслуживания из-за отсутствия эффекта памяти.
• Минимальный саморазряд.

Продолжительность эксплуатации ионной батареи зависит и от того, учтены ли недостатки:

• Необходим постоянный контроль уровня напряжения, тока и температуры. Для этого требуется специальный контроллер. Именно этим и отличаются ионные акб от полимерных.
• Постепенное уменьшение емкости.
• В состав должна быть введена проверенная защитная схема, контроллер с необходимыми компонентами. Такие работы требуют определенных материалов, инструмента. Процедура изготовления защитной схемы занимает определенное время. Все это приводит к увеличению стоимости li ion po батареи в 1,5–2 раза.

Литиево-полимерные аккумуляторные батареи

К разработке литий полимерной качественной аккумуляторной батареи приступили из-за того, что уровень безопасности ионных источников питания был невысок. В результате, производители получили акб, которые обладают особыми преимуществами в отличие от li.

Вместо стандартного электролитического состава применяется полимерный сухой электролит, представленный в виде пленки. Он не проводит ток, не препятствует обмену заряженными частицами. В отличие от ионного источника питания в устройство полимерного аккумулятора не введен и пористый сепаратор.

Благодаря тому, что используется такая конструкция, уровень безопасности li pol бытовых аккумуляторов более высокий. Ведь вероятность воспламенения сведена к нулю.

Полимерный электролит хорошо поддается обработке. Поэтому производители легко создают li ion polymer аккумулятор требуемой формы, оптимальной конфигурации. Поэтому такие источники питания используют в телефонах, ноутбуках, портативной технике, видеокамерах.

К сожалению, литий ионные полимерные батареи выделяются невысокой электропроводностью. Ее уровень повышается лишь при нагревании. Но подобный эффект допустим не всегда. К примеру, нагрев батареи не допускается, если отсутствует система охлаждения.

Уровень сопротивления li ion polymer аккумуляторов высокий, поэтому требуемую величину тока получить достаточно сложно. Из-за этого современные аппараты такими источниками питания комплектоваться не могут.

Но вышеперечисленные проблемы присущи только тем li ion poly источникам питания, в которых электролит представлен в сухом виде.

Модернизированные литиево-полимерные АКБ

Проблема, связанная с недостатком электропроводности, была решена за счет введения определенных компонентов в электролит. Теперь выпускают полимерные аккумуляторы, электролит в которых представлен в виде геля. Такие источники питания называются литиевыми ионными полимерными аккумуляторами. Ими оснащают наилучшие мобильные телефоны, зарядные и портативные устройства.

Аккумуляторные полимерные батареи встречаются повсеместно, какая бы техника ни была представлена.

Принципиальные отличия

Что же выбрать: li ion или аккумулятор li polymer? Обе конструкции обладают схожими характеристиками, параметрами. Отличие заключается в наличии твердого электролита в li ion pol аккумуляторах.

Модернизированный ли ионный полимерный аккумулятор не комплектуется пористым сепаратором. Он выделяется увеличенной емкостью, продолжительным периодом эксплуатации, повышенной электропроводностью.

Решая, какой аккумулятор лучше для телефона, производители учитывают конструктивные особенности, а также типов pol и li разницу. При этом чаще всего они используют ion li polymer акб, которые обладают всеми преимуществами.

Особенности использования литиевых АКБ

Использование li ion и li ion pol осуществляется по схожему принципу. Для предотвращения проблем нужно:

• Поддерживать в течение всего периода эксплуатации напряжение в 4,2–2,7 В. Данные показатели соответствуют максимальному и минимальному заряду.
• Учет введенных производителями ограничений напряжения. Для тщательного контроля допускается использование проверенных схем.
• Срок эксплуатации заряжаемых до 45–46% pol или li аккумуляторов наиболее продолжителен.
• Введение в состав ли ионных полимерных аккумуляторов контроллеров способствует поддержанию приемлемого уровня напряжения.

Правила зарядки литиево-полимерных аккумуляторных батарей

Для увеличения времени работы акб без дополнительной подзарядки нужно учитывать правила эксплуатации зарядки.

1. Недопустим полный разряд. Полимерные аккумуляторы не обладают эффектом памяти. Поэтому использование зарядного устройства допустимо и при небольшой разрядке. Для продления срока использования li ion po аккумулятор нужно заряжать чаще. При этом применять нужно «родное» зарядное устройство.
2. Постоянно использовать батарею, которая полостью заряжена, вредно. Поэтому с определенной периодичностью источник питания необходимо разряжать до нуля. Обусловлено нестабильностью зарядки, использованием различных схем и устройств. При периодической разрядке исключается вероятность образования нижних, верхних порогов.
3. Неэксплуатируемые li ion po источники питания хранятся при температуре 15–20 градусов. Уровень заряда должен составлять 40%. Полностью заряженный источник питания хранить не стоит. Ведь это чревато потерей емкости, ухудшением показателей.
4. Для зарядки литий ионных полимерных аккумуляторов применяются оригинальные зарядники. Некоторые мобильные телефоны оснащены встроенными зарядными устройствами. Отдельно же поставляется внешний адаптер, способствующий стабилизации напряжения. Часть техники такими устройствами не укомплектована. Поэтому для зарядки акб изымается.
5. Полимерные аккумуляторы запрещено перегревать. Даже превышение на 1–2 градуса пагубно сказывается на состоянии источника питания. Негативное влияние оказывают и низкие температуры. Поэтому пользоваться аккумулятором нужно только в допустимом режиме.
6. Запрещена эксплуатация источников питания в непосредственной близости от обогревателей. На аккумулятор не должны попадать прямые лучи солнца. Ведь все это способствует сокращению периода использования.
7. Небезопасно применение зарядных устройств, которые не прошли сертификацию. Так как заряжать аккумуляторную батарею? Лучший выход – применение проверенных и сертифицированных зарядных устройств, которые рекомендованы производителями.
8. Все используемые разъемы должны совпадать по размерам. Только так исключается вероятность замыкания аккумуляторной батареи.
9. Температура источника питания должна постоянно отслеживаться. Это особо важно, если в наличии нет системы охлаждения.
10. Механические нагрузки запрещены. Это может спровоцировать образование микротрещин, других повреждений.

Видео про восстановление литиево-полимерных акб.

Перед использованием универсального зарядника необходимо:

• Сопоставить технические параметры.
• Проверить показатели емкости. При использовании зарядных устройств с ограничениями, сложно будет зарядить источник питания.
• Удостовериться в работоспособности зарядника. Ведь китайские изделия могут иметь дефекты.

При необходимости можно проверить, старый аккумулятор как будет заряжаться.

Хранение и утилизация полимерных аккумуляторных батарей

Период эксплуатации ли ионных полимерных аккумуляторов зависит от соблюдений правил хранения.

1. Первичные источники питания не требуют особых условий хранения. Достаточно выполнять рекомендации изготовителей.
2. Извлеченную из устройства аккумуляторную батарею располагают на сухую поверхность. При этом необходимо свести к минимуму вероятность попадания солнечных лучей на поверхность источника питания.
3. Вероятность замерзания увеличивается, если акб находится в разряженном виде. Поэтому для хранения подбираются помещения с требуемыми условиями.
4. Хранить полимерные аккумуляторы нужно с небольшим зарядом (40–50%).
5. Эксплуатировать и хранить литиево-полимерные батареи, у которых напряжение постоянно понижается, не стоит. Такие устройства подлежат утилизации.
6. После длительного хранения источник энергии необходимо осматривать. Поврежденные или вздутые акб стоит заменить.

Электрохимическая система полимерных акб безвредна. Ведь при подготовке учитывались экологические нормы, требования. Но утилизацию вышедших из строя устройств проводят обязательно. Такие действия способствуют сохранению окружающей среды. Вышедшие из строя источники передаются в соответствующие организации в предписанном порядке.

Модернизированные литиево-полимерные аккумуляторные батареи постепенно вытесняют традиционные источники питания. И обусловлено это немалыми возможностями, техническими характеристиками и повышенным уровнем безопасности.

Видео про литиево-полимерные аккумуляторные батареи

Литиево-полимерными аккумуляторами оснащаются практически все современные электронные гаджеты. Широкое применение они нашли на летающих радиоуправляемых моделях, квадрокоптерах, вертолетах и самолетах. У литий-полимерных аккумуляторов есть немало преимуществ, в том числе - высокая плотность энергии, низкий саморазряд и отсутствие так называемого «эффекта памяти».

В результате для моделей с силовыми электроагрегатами Li Pol батарее практически не существует достойной альтернативы. Следует ожидать, что они будут применяться все более широко, особенно в таких областях, как непилотируемые летательные аппараты, электромобили и т.п.

Несмотря на все преимущества, LiPol батареи имеют репутацию капризных, опасных и маложивущих источников питания. На самом деле, эти недостатки несколько преувеличены. Если их правильно использовать, проблемы будут сведены к минимуму.

Правила зарядки

Для того чтобы в эксплуатации источника питания не возникало проблем, необходимо правильно заряжать LiPo батареи. В противном случае велик риск их повреждения и даже самовозгорания. Рассмотрим, как правильно зарядить литий полимерный аккумулятор , чтобы избежать возможных проблем:

• Зарядить LiPo аккумулятор любым ЗУ не получится, для этого требуются специальные зарядные устройства. Связано это с особенностями двухфазного процесса зарядки.

• Зарядка аккумуляторов Li Pol проходит в две фазы (метод CC-CV). На первой стадии напряжение на всех банках АКБ возрастает. К окончанию фазы оно достигает 4,2 Вольт. По сути, к этому моменту зарядка Li Pol аккумуляторов достигает 95%. Дальше начинается вторая фаза. Для недопущения перезаряда, губительного для литий-полимерной АКБ, ток снижается. В случае превышения напряжения более 4,25 Вольт увеличивается риск самовозгорания.
• Не рекомендуется допускать полной разрядки источника питания, перед повторной зарядкой в нем должно оставаться около 10-20%, иначе он быстро выйдет из строя.
• Важно следить, чтобы напряжение не падало ниже 3 Вольт на каждой банке. При таком снижении показателей напряжения велик риск того, что батарея может вздуться. При этом вздувшийся LiPo аккумулятор потеряет более 50% своей емкости. Если вздулась LiPo батарея, ее останется только выбросить - потеря емкости необратима.

То, что литий-полимерные источники питания вздуваются, является одной из серьезных проблем их эксплуатации. Все банки должны заряжаться и разряжаться равномерно. При этом зарядное устройство для литий полимерных батарей отслеживает только суммарное напряжение, но при большом разбросе показателей вероятность того, что LiPo аккумулятор вздулся увеличивается в разы. Также это приводит к перезаряду отдельных банок, увеличению риска самовозгорания.

Для решения этой проблемы зарядку Li Pol батарей необходимо выполнять с использованием балансира, который способен отслеживать напряжение на каждой банке, либо ЗУ со встроенным балансиром. Не заряжайте источник питания ЗУ с таймером. Если ток будет недостаточным, ЗУ отключится, не зарядив его полностью. Ток заряда не должен превышать 1С и быть меньше 0,5 С. Также нужно помнить, что чем больше емкость LiPo аккумулятора, тем дольше он будет заряжаться.

Эксплуатация

Для того чтобы продлить срок службы Li Pol устройств или, как минимум, не сократить его, важна и правильная эксплуатация аккумуляторов. Когда мы заряжаем источник питания, нельзя допускать его нагрева выше 60 градусов. Если нагрев все же произошел, прежде чем использовать батарею, ей нужно дать остыть. Также нельзя и ставить на зарядку перегревшийся накопитель.

На хранение нельзя оставлять полностью разряженную АКБ. Обязательно зарядите ее. Самые оптимальные показатели - 60%. В целом, при соблюдении этих несложных правил, проблем с использованием литий-полимерных батарей не возникает.