Bmw

Литий полимерные аккумуляторы правила эксплуатации и зарядки. Литий полимерные аккумуляторы. Где применяются Li Pol АКБ

Технологии производства аккумуляторов не стоят на месте и постепенно Ni-Cd (никель-кадмиевые) и Ni-MH (никель-металл-гидридные) аккумуляторы вытесняются на рынке аккумуляторами, в основе производства которых используются литиевые технологии. Литий-полимерные (Li-Po) и литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы всё чаще используются в различных электронных устройствах в качестве источника тока

Литий - серебристо-белый, мягкий и пластичный металл, твёрже натрия, но мягче свинца. Литий — самый легкий металл в мире! Его плотность составляет 0,543 г/см 3 . Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой. Месторождения лития имеются в России, Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве и Конго

Экскурс в историю

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается 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.

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

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно в несколько раз превышает плотность стандартных NiCd и NiMH аккумуляторов. Благодаря применению новых активных материалов это превосходство ежегодно увеличивается. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично никелевым аккумуляторам (форма их разрядных характеристик похожа и отличается лишь напряжением).

На сегодня существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных (Li-Po) аккумуляторов.

Li-ion аккумулятор всем был хорош, но проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость привели учёных к созданию литий-полимерного аккумулятора (Li-pol или Li-po).

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся 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, благодаря чему они имеют гибкую пластиковую оболочку, имеют меньший вес, большую токоотдачу и могут быть использованы в качестве силовых аккумуляторов для устройств с мощными электродвигателями.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется более высокой безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. Минимальная толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Основные преимущества

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости никелевые (NiCd и Ni-MH) аккумуляторы
Низкий саморазряд
Высокое напряжение единичного элемента (3.6-3.7V против 1.2V-1.4 у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители применяют в различных компактных электронных устройствах (сотовые телефоны, коммуникаторы, навигаторы и пр.) именно такой одноэлементный аккумулятор
Толщина элементов от 1 мм
Возможность получать очень гибкие формы

Недостатки

Аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется и просто лежит на полке. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Часы начинают тикать с того момента, как аккумуляторы произвели на заводе, и снижение емкости является результатом повышения внутреннего сопротивления, которое в свою очередь порождается окислением электролита. В итоге внутреннее сопротивление достигнет такого уровня, когда аккумулятор больше не сможет отдавать накопленную энергию, хотя ее в аккумуляторе будет достаточно.Через два или три года он часто становится непригодным к использованию.
Более высокая стоимость по сравнению с NiCd и Ni-MH аккумуляторами
При использовании литий-полимерных аккумуляторов, всегда есть риск их воспламенения, которое может случиться вследствие замыкания контактов, от неправильной зарядки, или механического повреждения аккумулятора. Так как температура горения лития очень высока (несколько тысяч градусов), то он может воспламенить рядом стоящие предметы и вызвать пожар.

Основные характеристики Li-Po аккумуляторов

Как было сказано выше, литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd и Ni-MH аккумуляторы в несколько раз. Срок службы современных Li-Po аккумуляторов, как правило, не превышает 400-500 циклов заряд-разряд. Для сравнения, срок службы современных Ni-MH аккумуляторов с низким саморазрядом составляет 1000-1500 циклов.

Технологии производства литиевых аккумуляторов не стоят на месте и названные выше цифры в любой момент могут потерять актуальность, т.к. производители аккумуляторов с каждым месяцем наращивают их характеристики за счёт внедрения новых технологических процессов их производства.

Из всего многообразия литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы - быстро-разрядные (Hi Discharge) и обычные . Отличаются они между собой максимальным разрядным током — его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой буквой «С».

Области применения Li-Po аккумуляторов

Применение Li-Po аккумуляторов позволяет решить две важные задачи — увеличить время работы устройств и снизить вес батареи

Обычные Li-Po аккумуляторы применяются в качестве источников питания в электронных устройствах с относительно небольшим токопотреблением (мобильные телефоны, коммуникаторы, ноутбуки и т.д.).

Быстро-разрядные литий-полимерные аккумуляторы часто называют «силовыми » — такие аккумуляторы применяются для питания устройств с высоким токопотреблением. Ярким примером применения «силовых» Li-Po аккумуляторов являются радиоуправляемые модели с электродвигателями и современные гибридные автомобили. Именно в этом сегменте рынка происходит основная конкурентная борьба различных производителей Li-Po аккумуляторов.

Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают никелевым — это область супервысоких (40-50С) разрядных токов. По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH. Но в этом сегменте рынка уже появились конкуренты — (Li-Fe), технология производства которых развивается с каждым днём.

Зарядка Li-Po аккумуляторов

Заряд большинства Li-Po аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму — от источника постоянного напряжения 4.20V/элемент с ограничением тока в 1С (некоторые модели современных силовых Li-Po аккумуляторов позволяют заряжать их током в 5С). Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. До перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1C аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 1-2 часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда — не хужу 0,01 V/банку.
Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить два основных типа - простые, не «компьютерные» зарядники в ценовой категории 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные зарядные устройства в ценовой категории 80-400$, предназначенные для обслуживания различных типов аккумуляторов.

Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками или путём подключения аккумулятора к различным разъемам на зарядном устройстве. Достоинство таких зарядных устройств — низкая цена. Главный недостаток — некоторые из таких устройств не умеет правильно определять окончание заряда. Они определяют лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости.

У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток, и емкость в мАч, которую аккумулятор «принял» в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор. При использовании зарядного устройства самое главное — правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда, который, как правило, равен 1C.

Эксплуатация Li-Po аккумуляторов и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» из существующих, т.е. требуют обязательного соблюдения нескольких несложных правил. Перечислим их в порядке убывания опасности:

Перезаряд аккумулятора — заряд до напряжения, превышающего 4.20V на банку
Короткое замыкание аккумулятора
Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или приводящим к нагреву Li-Po аккумулятора cвыше 60°С
Разряд ниже напряжения 3V на банку
Нагрев аккумулятора выше 60ºС
Разгерметизация аккумулятора
Хранение в разряженном состоянии

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, всех остальных — к полной или частичной потере емкости

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок
Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи и контролировать ток, потребляемый устройством, в котором установлен Li-Po аккумулятор
Необходимо быть уверенным, что ваше электронное устройство,в котором установлен аккумулятор не перегревается. При +70ºС в аккумуляторе начинает идти «цепная реакция», превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть
Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно «умрет» из-за переразряда
Следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте его после работы
Разгерметизация — так же причина выхода литиевых аккумуляторов из строя. Внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки) в результате удара, или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод — не ронять с большой высоты и паять аккуратно
Хранить аккумуляторы, судя по рекомендациям производителей, следует в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температуре не выше 30°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы. Как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Сборка Li-Po батарей

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква Р (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, a S (serial) — последовательно. Например, «Kokam 1500 3S2P» обозначает батарею, соединенную последовательно из трех пар аккумуляторов, и каждая пара образована двумя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500 мАч, т.е. емкость батареи будет 3000 мАч (при соединении параллельно емкость возрастает), а напряжение — 3,7V х 3=11,1V.

Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в батарею нужно уравнять их потенциалы, особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую и зарядный ток может превысить значение 1C. Желательно, все купленные банки перед соединением разрядить до 3V током около 0.1- 0.2С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0.5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.

Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом, так как многие фирмы, собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.

Из-за падения емкости в результате эксплуатации ни в коем случае нельзя добавлять новые банки последовательно старым — батарея будет при этом разбалансирована.

Конечно, также нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей — например 1800 и 2000 мАч, а также использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей, поскольку различное внутренне сопротивление приведет к разбалансировке батареи.

При пайке следует соблюдать аккуратность, нельзя допускать перегрева выводов — это может нарушить герметизацию и навсегда «убить» еще не поработавший аккумулятор. Некоторые Li-Po аккумуляторы поставляются с уже припаянными к выводам кусочками текстолитовой печатной платы для удобства распайки проводов. При этом добавляется лишний вес — около 1 г на элемент, зато греть места для припайки проводов можно гораздо дольше — стеклотекстолит плохо проводит тепло. Провода с разъемами следует закрепить на корпусе батареи, хотя бы скотчем, чтобы случайно не оторвать их при многократном подключении к зарядному устройству

Нюансы применения Li-Po аккумуляторов

Приведу еще несколько полезных примеров, вытекающих из ранее сказанного, но неочевидных на первый взгляд …

В течение долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными — какие-то банки «стареют» раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее. Отсюда вытекает следующее правило — необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи .

В случае обнаружения в сборке аккумулятора, ёмкость которого отличается от других элементов более, чем на 15-20%, рекомендуется отказаться от использования всей сборки, или из оставшихся аккумуляторов спаять батарею с меньшим количеством элементов.

Современные зарядные устройства имеют встроенные балансиры (balancer), которые позволяют заряжать все элементы в батареи отдельно под чётким контролем. Если зарядное устройство не оборудовано балансиром, то его необходимо приобрести отдельно и заряд аккумуляторов желательно производить с его использованием.

Внешний балансир — это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4.17-4.19V. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4.17V балансир замыкает часть тока «на себя», не позволяя напряжению превысить критический порог.

Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством определения «плохих» элементов в батарее.

Вышесказанное относится к батареям, составленных из трех элементов и более, для двух-баночных батарей балансиры, как правило, не применяют

По многочисленным отзывам, разряд литиевых аккумуляторов до напрряжения 2.7- 2.8V более губительно сказывается на емкости, чем, например перезаряд до напряжения 4.4V. Особенно вредно хранить батарею в переразряженном состоянии.

Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50°С (при 0°С сохраненяется 80% емкости аккумулятора). Но тем не менее, использовать Li-Po аккумуляторы при отрицательных температурах, около-10…-15°С, можно. Дело в том, что не нужно перед использованием морозить батарею — положите ее в карман, где тепло. А в процессе использования внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.

Заключение

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литиевыми технологиями накопления энергии, если их не догонят топливные элементы. Поживем - увидим…

В статье использованы материалы статей Сергея Потупчика и Владимира Васильева

Задаетесь вопросом: «Что выбрать: Li-Ion или Li-Po аккумулятор?» Мы подробно расскажем в чем отличие этих двух типов аккумуляторов.

Как всем нам известно, мощность портативного зарядного устройства в большей степени зависит от качества аккумуляторов внутри устройства. На современном рынке существует два вида аккумуляторов, которые используются для производства портативных зарядных устройств: Li-Ion и Li-Po элементы аккумулятора.

Li-Ion или Li-Po: В Чем Различие и Что Выбрать

К сведению пользователей, один из частозадаваемых вопросов касательно портативных зарядных устройств – это: какая разница между аккумуляторами Li-Ion и Li-Po, а также, какой из них лучше. Давайте будем разбираться.

Что же такое Li-Ion и Li-Po?

Li-Ion – это сокращение от литий-ионный, а Li-Po – от литий-полимерный. Окончание «ионный» и «полимерный» — это указание на катод. Литий-полимерный аккумулятор состоит из полимерного катода и твердого электролита, а литий-ионный аккумулятор – из углерода и жидкого электролита. Оба аккумулятора перезаряжаемые, и потом, в том или ином смысле, они оба выполняют одну и ту же функцию. В целом, литий-ионные аккумуляторы старше, чем литий-полимерные, но они по-прежнему широко распространены из-за низкой цены и неприхотливости в техническом обслуживании. Литий-полимерные аккумуляторы считаются более совершенными, с улучшенными характеристиками, обеспечивающими более высокий уровень безопасности, следовательно, такие аккумуляторы стоят дороже, чем литий-ионные.

Существует много конфигураций аккумуляторов Li-Ion. Самые распространенные литий-ионные аккумуляторы для портативных зарядных устройств – это аккумуляторы с типоразмером 18650, диаметром 18мм и длиной 65мм, в которых 0 означает цилиндрическую конфигурацию. Больше 60% портативных зарядок изготовлены из элементов аккумулятора с типоразмером 18650. Размер и вес таких элементов легко позволяет применять их во многих электронных устройствах. Технологии изготовления также не стоят на месте.

Поскольку среди покупателей все больше и больше возрастает спрос на более легкие и компактные портативные зарядки, все более очевидными становятся ограничения, которые влекут за собой литий-ионные аккумуляторы. Поэтому производители переходят на изготовление более легких, более плоских модульных литий-полимерных аккумуляторов для новых портативных зарядных устройств. Более того, литий-полимерные аккумуляторы не так подвержены риску взрыва, а поэтому в портативные зарядки больше не нужно встраивать защитный слой, в то время как большинство литий-ионных 18650 аккумуляторов должны быть установлены только вместе с защитой.

Давайте подытожим информацию про различия между литий-ионом и литий-полимером в виде таблицы.

Ключевые особенности	Li-Ion	Li-Po
Энергетическая плотность	Высокая	Низкая, с меньшим количеством циклов в сравнении с Li-Ion
Универсальность	Низкая	Высокая, производители не привязаны к стандартному формату ячеек
Вес	Немного более тяжелые	Легкие
Ёмкость	Ниже	Одинаковый объем Li-Po аккумулятора, превосходит по ёмксоти Li-Ion почти в два раза
Жизненный цикл	Большой	Большой
Взрывоопасность	Более высокая	Более продуманная безопасность снижает риск перезаряда, а также утечку электролита
Время заряда	Немного более длинное	более короткое
Изнашиваемость	Теряет менее чем 0,1% своей эффективности каждый месяц	Более медленней, чем Li-Ion аккумуляторы
Стоимость	Более дешевый	Более дорогой

После изучения всех преимуществ, недостатков и характеристик двух типов аккумуляторов, вы можете убедиться, что между ними нет сильной конкуренции. Хотя литий-ионный аккумулятор тоньше и изящнее, литий-ионные аккумуляторы отличаются большей удельной энергоемкостью, и потом, они гораздо дешевле в производстве.

Поэтому, не стоит обращать особого внимания на тип аккумулятора, просто выбирайте брендовое портативное зарядное устройство, которое соответствует вашим требованиям. В конце концов, в эти аккумуляторы добавляется множество химикатов, поэтому, еще неизвестно, какие из них прослужат дольше.

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.

Тип аккумулятора	Выходное напряжение (В)	Область применения
свинцово-кислотные (Lead Acid)		троллейбусы, трамваи, автомобили, мотоциклы, электропогрузчики, штабелеры, электротягачи, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания
никель-кадмиевые (NiCd)		строительные электроинструменты, троллейбусы, бытовые электроприборы
никель-металл-гидридные (NiMH)		бытовые электроприборы, электромобили
литий-ионные (Li‑ion)	3,7 (3.6)	мобильные устройства, строительные электроинструменты, электромобили
литий-полимерные (Li‑pol)	3,7 (3.6)	мобильные устройства, электромобили
никель-цинковые (NiZn)		бытовые электроприборы

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.

Особенности литий─полимерных аккумуляторов и правила их эксплуатации

Литий─полимерный аккумулятор представляет собой модифицированный вариант литий─ионных батарей. Главное отличие заключается в применении полимерного материала, исполняющего роль электролита. В этот полимер добавляются токопроводящие включения с соединениями лития. Подобные аккумуляторы в последние годы активно развиваются и используются в мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках, радиоуправляемых моделях и другой технике. Несмотря на то что литиевые аккумуляторы неспособны обеспечивать высокие токи разрядки, некоторые специальные разновидности полимерных АКБ могут отдавать ток, значительно превышающий их ёмкость. Поскольку литий─полимерные аккумуляторы быстро распространяются на рынке, нужно иметь представление об их устройстве, правилах эксплуатации и технике безопасности при обращении с ними. Об этом речь пойдёт в нашем сегодняшнем материале.

Преимуществом замены жидкого органического электролита в на полимерный является повышение безопасности эксплуатации АКБ. Это очень важно для аккумуляторов литиевого типа. Именно безопасное использование в коммерческих целях с самого начала сдерживало их развитие. Кроме того, полимерный электролит даёт значительно больше свободы при выборе формы аккумуляторной батареи.

В основу устройства Li─Pol аккумуляторных батарей был положен процесс перехода ряда полимеров в полупроводниковое состояние при внедрении ионов электролита в них. При этом проводимость возрастает в несколько раз. Исследователи в основном были заняты подбором полимерного электролита для АКБ с металлическим литием и Li─Ion моделей. В теории допускается увеличение энергетической плотности батарей с полимером в несколько раз по сравнению с литий─ионными. На сегодняшний день можно выделить несколько групп Li─Pol аккумуляторов, отличающихся по составу электролита:

С гелеобразным гомогенным электролитом. Он получается в результате внедрения в структуру полимера солей лития;
С сухим полимерным электролитом. Этот тип изготавливается на основе полиэтиленоксида с разными солями лития;
Электролит в виде микропористой полимерной матрицы, в которой сорбированы неводные растворы литиевых солей.

Если сравнивать полимерный и жидкий электролит, то стоит отметить меньшую ионную проводимость первого. Она существенно снижается при отрицательных температурах. Так, что одна проблема была в том, чтобы подобрать состав для электролита с высокой проводимостью. А вторая важная задача была в расширении диапазона рабочих температур полимерных АКБ. Модели литий─полимерных аккумуляторов, используемых в современной технике, по своим характеристикам не уступают Li─Ion.

Поскольку в полимерной батарее отсутствует жидкий электролит, их безопасность при эксплуатации значительно выше. Кроме того, они могут выполняться практически любой формы и конфигурации.

Контейнеры некоторых моделей, в которых находится сама банка, выполнены из металлизированных полимер. Из-за кристаллизации полимерного электролита параметры этих АКБ значительно снижаются при отрицательных температурах.

Есть разработки полимерных АКБ с металлическим анодом. Учёным удалось добиться высокой плотности тока и значительного расширения рабочего интервала температур. Эти разновидности аккумуляторов также могут использоваться в различной портативной электронике и бытовой технике. Выпуском подобных аккумуляторов уже занимаются многие ведущие компании.

Причём у разных производителей могут отличаться материалы электродов, состав электролита и сама технология сборки. По этой причине сильно отличаются и параметры этих АКБ. Однако все производители сходятся в том, что стабильность работы Li─Pol сильное влияние оказывает однородность полимерного электролита. А она зависит от температуры полимеризации и соотношения компонентов.

Сейчас уже есть множество проведённых экспериментов, которые доказывают более высокий уровень безопасности полимерных АКБ по сравнению с ионными. Это касается перезаряда, ускоренного разряд, вибрации, сжатия, короткого замыкания, прокалывания литий─полимерных батарей. Так, что этот вид аккумуляторов имеет самые хорошие перспективы развития. Ниже приведены результаты тестов на безопасную эксплуатацию Li─Pol аккумуляторов.

Вид испытаний
Вид испытаний	Аккумулятор с гель-полимерным электролитом	Аккумулятор с жидким электролитом
Прокол иглой	Не было изменений	Взрыв, дым, протечка электролита, повышение температуры до 250°С
Нагрев до 200°С	Не было изменений	Взрыв, протечка электролита
Ток короткого замыкания	Не было изменений	Протечка электролита, повышение температуры на 100°С
Перезаряд (600%)	Вздутие	Взрыв, протечка электролита, повышение температуры на 100°С

Есть примеры литий─полимерных аккумуляторов, которые имеют толщину 1 миллиметр. Такие модели позволяют конструкторам мобильных устройств создавать очень компактную аппаратуру. Это открывает новые возможности по уменьшению размеров электронных устройств. Для уменьшения внутреннего сопротивления Li-Pol аккумуляторов добавляется гелевый электролит. В батареях, которые используются в мобильных телефонах, применяется такая разновидность электролита. Они сочетают в себе черты полимерных и ионных батарей.

В чём же разница между Li─Ion и Li─Pol аккумуляторными батареями. Они относятся к и близки по своим электрическим характеристикам. Но полимерные модели используют твёрдый электролит. Гелевая составляющая вносится в электролит для снижения внутреннего сопротивления батареи и стимуляции ионообменных процессов.

По своей энергоёмкости литий─полимерные аккумуляторные батареи имеют удельную энергоёмкость в 4─5 раз больше и в 3─4 раза выше . Оба этих типа относятся к . Сравнение производится именно с ними, поскольку в основном литиевые батареи заменили щелочные в мобильной электронике.

Li─Pol батареи имеют ресурс в 500─600 циклов заряд-разряд (при токе разряда 2С). По этому показателю они проигрывают кадмиевым (1 тысяча циклов) и примерно соответствуют металлогидридным. Технология производства и конструкция постоянно совершенствуется и в будущем, возможно, характеристики улучшаться. Стоит также отметить, что за 1─2 года полимерная АКБ теряет примерно 20% от своей ёмкости. По этому параметру они соответствуют ионным аккумуляторам.

Следует отметить, что среди полимерных батарей для коммерческого использования есть 2 крупные категории. Это обычные и быстроразрядные. Последние ещё часто называют Hi discharge. Различие между этими группами заключается в максимально допустимом разрядном токе. Он может указываться в абсолютной величине или кратно номинальной ёмкости.

Например, 3С. Для обычных аккумуляторных батарей максимальный ток разряда не более 3─5С. Быстроразрядные модели имеют максимальный ток разряда 8─10С. Масса быстроразрядных АКБ приблизительно на 20 процентов выше, чем у стандартных моделей. В маркировке таких батарей присутствуют символы HC или HD.

KKM2500 обозначает обычную модель ёмкостью 2500 мАч, а маркировка KKM2000HD расшифровывается, как быстроразрядный аккумулятор ёмкостью 2000 мАч. Быстроразрядные модели не используются в бытовой технике и потребительской электронике. АКБ из сотовых телефонов и планшетов не выдерживают высоких разрядных токов, и поэтому оснащены защитой от таких режимов эксплуатации.

Области применения литий─полимерных аккумуляторов вытекают из задач, которые ставились при их разработке. Это увеличение времени работы устройства и уменьшение его веса. Стандартные Li─Pol модели работают в разной электронике, имеющей невысокие токи потребления. Это ноутбуки, смартфоны, электронные книги, планшеты.

Модели, предусматривающие быстрый разряд, ещё называются «силовыми». Они используются в тех устройствах, где необходимо высокое потребление тока. Наиболее известная сфера применения «силовых» аккумуляторов – это модели на радиоуправлении. Этот рынок является наиболее привлекательным для производителей полимерных АКБ. В сфере работы устройств с очень высокими разрядными токами (до 50 С) литий─полимерные аккумуляторы проигрывают щелочным. Возможно, в будущем литиевые модели преодолеют это ограничение. По цене они примерно соответствуют никель─металлогидридным.

Эксплуатация литий─полимерных аккумуляторных батарей

Безопасность

Аккумуляторы литиевого типа в целом, и полимерные в частности, требуют довольно деликатного обращения при эксплуатации. Что требуется запомнить при эксплуатации Li─Pol аккумуляторных батарей:

Вреден излишний заряд аккумулятора (выше 4,2 вольта на один аккумуляторный элемент);
Нельзя допускать короткого замыкания;
Недопустим разряд токами, которые приводят к нагреву аккумулятора более 60 градусов Цельсия;
Нельзя разгерметизировать АКБ;
Нельзя разряжать аккумулятор ниже 3 вольт;
Недопустим нагрев выше 60 градусов;
Не допускается хранение в разряженном виде.

Если не соблюдать эти правила, то это может привести к пожару в худшем, и значительной потере ёмкости в лучшем случае.

В связи с этим можно дать несколько рекомендаций по безопасному использованию литий─полимерных аккумуляторов. Для начала следует приобрести качественное зарядное устройство и выставлять на нём корректные настройки. Кроме того, рекомендуется применять разъёмы, которые не допускают короткое замыкание. Обязательно контролируйте ток, который потребляется устройством.

Стоит также отметить, что нужно соблюдать температурный режим и не допускать перегрева полимерной батареи. Это слабое место всех аккумуляторов литиевого типа. Если аккумулятор нагреется до 70 градусов, то в нём начинается самопроизвольная реакция, которая энергию превращает в тепло. В результате воспламенение, а иногда и взрыв. Если есть возможность контролировать напряжение аккумулятора, то за ним особенно пристально нужно следить в конце разрядки.

Ещё одной причиной выхода литиевых АКБ из строя, является разгерметизация. Внутрь полимерной аккумуляторной банки ни в коем случае не должен проникнуть воздух. Изначально корпус герметичен и его не следует подвергать ударам, ронять. Если вы занимаетесь пайкой выводов, то делать это нужно крайне аккуратно.

Перед тем как отправить на хранение полимерную батарею, её рекомендуется зарядить наполовину. Хранить аккумулятор следует в прохладном месте без попадания на него солнечных лучей. Как и все аккумуляторные батареи, литий─полимерные имеют саморазряд, но он меньше, чем у свинцовых или щелочных.

Рост потребительского интереса к мобильным гаджетам и технологичной портативной технике в целом заставляет производителей совершенствовать свою продукцию в самых разных направлениях. При этом существует целый ряд общих параметров, работа над которыми ведется в одном русле. К таким можно отнести способ энергообеспечения. Всего несколько лет назад активные участники рынка могли наблюдать процесс вытеснения более совершенными элементами никель-металлгидридного происхождения NiMH. Сегодня же соперничество ведут между собой уже новые генерации батарей. Широко распространенную литий-ионную технологию в некоторых сегментах успешно вытесняет литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в новом блоке не так заметно для рядового пользователя, но в некоторых аспектах оно существенно. При этом, как и в случае конкуренции элементов NiCd и NiMH, замещающая технология далеко не безупречна и по некоторых показателям уступает аналогу.

Устройство аккумулятора Li-ion

Первые модели серийных аккумуляторов на основе лития стали появляться еще в начале 1990 годов. Однако в качестве активного электролита тогда использовался кобальт и марганец. В современных же важно не столько вещество, сколько конфигурация его размещения в блоке. Такие аккумуляторы состоят из электродов, которые разделяются сепаратором с порами. Масса сепаратора, в свою очередь, как раз и пропитывается электролитом. Что касается электродов, то их представляет катодная основа на алюминиевой фольге и медный анод. Внутри блока соединяются между собой клеммами-токосъемникам. Обслуживание заряда выполняет положительный заряд ион лития. Этот материал выгоден тем, что располагает способностью легко проникать в кристаллические решетки других веществ, формируя химические связи. Впрочем, положительных качеств таких батарей все чаще оказывается недостаточно для современных задач, что и обусловило появление элементов Li-pol, которые имеют немало особенностей. В целом же стоит отметить и сходство литий-ионных источников питания с гелиевыми полноформатными АКБ для автомобилей. В обоих случаях батареи разрабатываются с расчетом на физическую практичность в использовании. Отчасти это направление развития продолжили и полимерные элементы.

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Толчком для совершенствования литиевых аккумуляторов стала необходимость борьбы с двумя недостатками существующих батарей Li-ion. Во-первых, они небезопасны в эксплуатации, а во-вторых, довольно дорого обходятся по цене. Избавляться от данных минусов технологи решили путем смены электролита. В итоге на смену пропитанному пористому сепаратору пришел полимерный электролит. Надо отметить, что полимер и раньше использовался в электротехнических нуждах в качестве пластиковой пленки, проводящей ток. В современной же батарее толщина элемента Li-pol достигает 1 мм, что также снимает с разработчиков ограничения по использованию различных форм и размеров. Но главное заключается в отсутствии жидкого электролита, благодаря чему исключается риск воспламенения. Теперь стоит подробнее рассмотреть отличия от литий-ионных элементов.

В чем главное отличие от ионной батареи?

Принципиальное отличие заключается в отказе от гелиевых и жидкостных электролитов. Для более полного понимания этой разницы стоит обратиться к современным моделям автомобильных аккумуляторов. Потребность в замене жидкого электролита была обусловлена, опять же, интересами безопасности. Но если в случае с автомобильными АКБ прогресс остановился на тех же пористых электролитах с пропиткой, то литиевые модели получили полноценную твердую основу. Чем же так хорош твердотельный литий-полимерный аккумулятор? Отличие от ионного заключается в том, что активное вещество в виде пластины в зоне контакта с литием препятствует формированию дендритов при циклировании. Как раз этот фактор исключает вероятность взрывов и возгораний таких батарей. Это лишь то, что касается достоинств, но также есть и слабые места у новых элементов питания.

Срок службы литий-полимерного аккумулятора

В среднем такие аккумуляторы выдерживают порядка 800-900 циклов зарядки. Данный показатель является скромным на фоне современных аналогов, но даже не этот фактор можно рассматривать как определяющий ресурс элемента. Дело в том, что такие аккумуляторы подвержены интенсивному старению независимо от характера эксплуатации. То есть даже если батарея вовсе не используется, ее ресурс будет сокращаться. Причем не имеет значения, это литий-ионный аккумулятор или литий-полимерный элемент. Все источники питания, базирующиеся на литиевой основе, характеризуются данным процессом. Существенную утрату в объеме можно заметить уже через год после приобретения. Спустя 2-3 года некоторые батареи и вовсе выходят из строя. Но многое зависит от производителя, поскольку внутри сегмента тоже есть различия в качестве исполнения аккумулятора. Аналогичные проблемы свойственны и элементам NiMH, которые подвергаются старению при резких температурных колебаниях.

Недостатки

Кроме проблем с быстрым устареванием, такие аккумуляторы нуждаются в дополнительной системе защиты. Связано это с тем, что внутреннее напряжение на разных участках может привести к перегоранию. Поэтому используется особая схема стабилизации, предотвращающая перегревы и перезаряды. Эта же система влечет и другие недостатки. Главным из них является ограничение тока. Но, с другой стороны, дополнительные защитные схемы делают безопаснее литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в плане стоимости тоже имеет место. Полимерные батареи стоят дешевле, но ненамного. Их ценник также повышается из-за внедрения электронных защитных схем.

Эксплуатационные особенности гелеобразных модификаций

С целью повышения электропроводности в полимерные элементы технологи все же добавляют гелеобразный электролит. О полном переходе на такие вещества речи не идет, поскольку это противоречит концепции данной технологии. Но в портативной технике часто используют именно гибридные элементы питания. Их особенность заключается в чувствительности к температуре. Производители рекомендуют использовать такие модели батарей в условиях от 60 °C до 100 °C. Это требование определило и особую нишу применения. Использовать гелеобразные модели можно только в местах с жарким климатом, не говоря о необходимости погружения в теплоизолированный корпус. Тем не менее вопрос о том, какой аккумулятор выбрать - Li-pol или Li-ion, - не так остро стоит на предприятиях. Там, где особое влияние имеет температура, часто применяются комбинированные решения. Полимерные элементы в таких случаях обычно используют в качестве резервных.

Оптимальный метод зарядки

Обычное время восполнения заряда у литиевых аккумуляторов составляет в среднем 3 ч. Причем в процессе зарядки блок остается холодным. Наполнение происходит в два этапа. На первом напряжение достигает пиковых величин, и такой режим поддерживается до набора 70%. Остальные 30% набираются уже в условиях нормального напряжения. Интересен и другой вопрос - как заряжать литий-полимерный аккумулятор, если нужно в постоянном режиме поддерживать его полный объем? В таком случае следует соблюдать график подзарядок. Эту процедуру рекомендуется производить примерно каждые 500 ч эксплуатации с полной разрядкой.

Меры предосторожности

В процессе эксплуатации следует применять только соответствующий по характеристикам зарядный прибор, подключая его к сети со стабильным напряжением. Также необходимо проверять состояние разъемов, чтобы не произошло размыкания аккумулятора. Важно учитывать, что, несмотря на высокую степень безопасности, это все же чувствительный к перегрузкам тип аккумулятора. Литий-полимерный элемент не терпит превышения показателей тока, чрезмерного охлаждения внешней среды и механических ударов. Впрочем, по всем этим показателя полимерные блоки все же более надежны, чем литий-ионные. И все-таки главный аспект безопасности заключается в безвредности твердотельных источников питания - разумеется, при условии поддержания их герметичности.

Какой аккумулятор лучше - Li-pol или Li-ion?

Данный вопрос в большей степени определяется условиями эксплуатации и целевым объектом энергоснабжения. Основные преимущества полимерных устройств скорее ощутимы для самих производителей, которые могут свободнее использовать новые технологии. Для пользователя разница будет малозаметна. Например, в вопросе о том, как заряжать литий-полимерный аккумулятор, владельцу придется больше внимания уделять качеству источника энергоснабжения. По времени же заряда это идентичные элементы. Что касается долговечности, то в этом параметре тоже ситуация неоднозначная. Эффект старения в большей степени характеризует полимерные элементы, но практика показывает разные примеры. К примеру, есть отзывы о литий-ионных элементах, которые становятся непригодными уже через год пользования. А полимерные в некоторых аппаратах эксплуатируются по 6-7 лет.

Заключение

Вокруг аккумуляторов по-прежнему сохраняется множество мифов и ложных суждений, которые касаются разных нюансов эксплуатации. И напротив, некоторые особенности батарей замалчиваются производителями. Что касается мифов, то один из них опровергает литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного аналога заключается в том, что полимерные модели испытывают меньше внутренних нагрузок. По этой причине сеансы зарядки еще не севших аккумуляторов не оказывают вредного воздействия на характеристики электродов. Если же говорить о скрываемых производителями фактах, то один из них касается долговечности. Как уже говорилось, ресурс аккумуляторов характеризуется не только скромным показателем циклов зарядки, но и неизбежной утратой полезного объема элемента питания.