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

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.

В числе самых распространенных видов аккумуляторов - литий-полимерные и литий-ионные. В чем их особенности?

Факты о литий-полимерных аккумуляторах

В литий-полимерных аккумуляторах задействуется твердый полимерный электролит. В самых первых образцах батарей рассматриваемого типа, созданных в 70-х годах, он присутствовал преимущественно в сухой модификации. Данный электролит фактически не проводил электрический ток, однако в нем мог осуществляться обмен ионами, образуемыми соединениями лития. В современных устройствах - ноутбуках, мобильных телефонах, гаджетах - используются аккумуляторы, в которых также есть некоторое количество электролита в виде геля.

Литий-полимерные батареи способны обеспечивать высокий уровень плотности электроэнергии в расчете на свои размеры и массу. Они характеризуются довольно невысоким саморазрядом, не обладают так называемым эффектом памяти - когда заряженный аккумулятор в процессе использования иногда разряжается только до уровня, который соответствует моменту постановки батареи на зарядку (то есть необязательно до нуля), а также могут работать при широком диапазоне температур.

Однако литий-полимерные аккумуляторы не всегда безопасны - особенно при перегреве или слишком долгой зарядке. Батареи рассматриваемого типа имеют порядка 800-900 рабочих циклов, при которых уровень потери емкости не превышает 20 %. Те же 20 % производительности аккумулятор теряет после 2 лет эксплуатации, даже если он не используется, а находится на хранении.

У литий-полимерных аккумуляторов зачастую очень небольшие размеры - теоретически возможен выпуск батарей толщиной порядка миллиметра. Применение металлического корпуса в их конструкции необязательно.

Факты о литий-ионных аккумуляторах

Конструкция литий-ионного аккумулятора состоит из электродов и сепараторов, пропитанных обычно жидким электролитом. Первые представлены катодами из алюминия и анодами из меди. Электрический заряд в аккумуляторах рассматриваемого типа переносится положительно заряженным ионом лития, который имеет способность встраиваться в кристаллические решетки других веществ и формировать таким образом новые соединения. Катоды в современных литий-ионных аккумуляторах, как правило, представлены соединениями лития с кобальтом, никелем, марганцем, а также фосфатом железа.

Батареи рассматриваемого типа характеризуются, как и литий-полимерные изделия, низким саморазрядом, но несколько превышают их по энергоемкости. Литий-ионные аккумуляторы нет необходимости периодически заряжать и разряжать в целях поддержания функциональности.

Устаревшие модели литий-ионных аккумуляторов считаются небезопасными в эксплуатации, но те, что включают в себя элементы из соединения лития с фосфатом железа, признаны достаточно надежными. Как и литий-полимерные устройства, батареи рассматриваемого типа теряют в емкости с течением времени - даже если не используются.

Сравнение

Главное отличие литий-полимерного от литий-ионного аккумулятора заключается в применении в структуре первых преимущественно сухого электролита (с небольшим процентом гелевого), в то время как во вторых используется, как правило, жидкий электролит. Это предопределяет возможность, прежде всего, не применять в конструкции литий-полимерных батарей металлическую оболочку и произвести аккумулятор небольшого размера и толщины. В литий-ионных аккумуляторах, в свою очередь, она необходима - иначе электролит вытечет. Важность использования металлической оболочки может затруднять уменьшение размера выпускаемых батарей фирмами-производителями.

Определив, в чем разница между литий-полимерным и литий-ионным аккумулятором, отразим выводы в небольшой таблице.

Таблица

Литий-полимерные аккумуляторы	Литий-ионные аккумуляторы
Что общего между ними?
Имеют общие принципы передачи электрозаряда - с помощью соединений лития
Характеризуются низким саморазрядом
Нет эффекта памяти
Есть общий недостаток в виде снижения емкости с течением времени
В чем разница между ними?
Имеют в своей структуре твердый электролит (с добавлением гелевого)	Имеют в своей структуре жидкий электролит
Не требуют металлической оболочки и могут обладать малыми размерами	Требуют металлической оболочки, что предопределяет больший их размер в сравнении с литий-полимерными батареями
Имеют несколько меньшую энергоемкость	Имеют несколько большую энергоемкость

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.