Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Инженерная мысль непрерывно развивается: ее стимулируют постоянно возникающие проблемы, требующие для своего решения разработки новых технологий. В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе.

Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера не задумываемся о том, какой аккумулятор у них внутри и чем вообще различаются эти устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими качествами тех или иных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать. Тем, кто спешит и желает сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор является оптимальным для сотового телефона, я отвечу коротко — Li-ion. Дальнейшая информация предназначена для любознательных.

Для начала небольшой 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 и 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 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, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик 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 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 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 — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (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) - результат отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления емкости.

Недостатки.

Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Она обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как «ведут себя» новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.

Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с обеспечением безопасности его 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 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.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что 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, необходимую для современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В то же время при нагревании до 60 °C и более электропроводность Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится.

Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году. Они будут стабильными, допускать 1000 полных циклов заряда-разряда и иметь более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы

Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время используются в качестве резервных источников питания в жарком климате. Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие элементы, поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.

Вы спросите: как же так? На рынке вовсю продают 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. Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer. Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку на данный момент именно они представляют наибольший интерес.

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

Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы будут дешевле литий-ионных.

А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.

Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов достаточно подробно рассказано в статье . В добавление приведу лишь график (Рис.1) из , иллюстрирующий стадии заряда, и небольшие пояснения к нему.

Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе, равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3% от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий. На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70% от своей емкости. В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3%. После этого заряд полностью прекращается.

Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и прекращают при достижении 4.2 В

Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5 до 45 °C. При температуре от 0 до 5 °C рекомендуется заряжать током в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна температура от 15 до 25 °C.

Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным, поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.

А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет 3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная, требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном.

Несколько слов о температурных условиях при разряде (читай во время работы).

Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при температуре более 30 °C, но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры, в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.

Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима температура от 60 °C до 100 °C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных, как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы, особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.

При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов температура -20 °C является пределом, при котором они прекращают функционировать, NiCd продолжают работать до -40 °C. Отмечу только, что речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.

Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.

В заключение хочу отметить, что задать вопросы и обсудить проблемы, связанные с Li-ion, Li-polymer, а также другими типами аккумуляторов, можно на форуме в подфоруме по аксессуарам.

При написании статьи использованы материалы [ — Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.

Литий-полимерный аккумулятор является усовершенствованным вариантом традиционной литий-ионной батареи. Его основным отличием считается использование специального полимерного материала, в котором в качестве наполнения применяются гелеобразные литий-проводящие включения. Такой тип аккумуляторов применяется во многих моделях мобильных устройств, телефонах, цифровых приборах, радиоуправляемых машинах и так далее.

Традиционный литий-полимерный аккумулятор для бытового использования не может выдавать слишком большой ток. Однако сегодня имеются специальные силовые разновидности подобных устройств, которые могут выдавать ток, который во много раз превышает показатели его емкости в ампер-часах.

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Разница между литий-полимерным и литий-ионным носителем энергии заключается в типе применяемого электролита. В полимерных батареях применяется специальный полимер с литийсодержащим раствором, а в ионных - обычный гелевый электролит. В силовых системах большинства современных моделей используется именно литий полимерный аккумулятор. Это связано с тем, что он обеспечивает более мощные разрядные токи. Однако слишком жесткого разделения между этими типами аккумуляторов не существует, поскольку они отличаются только характером электролита. Это касается особенностей зарядки и разрядки, правил эксплуатации и техники безопасности.

Основные характеристики

Современный литий-полимерный аккумулятор при одинаковой массе является существенно более энергоемким, чем никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлгидридные (NiMH) батареи. Они имеют количество рабочих циклов примерно 500-600. Напомним, что у NiCd оно составляет 1000 циклов, а у NiMH - около 500. Как и литий-ионные, полимерные носители тоже со временем стареют. Поэтому через 2 года такой аккумулятор потеряет до 20% своей емкости.

Виды силовых литий-полимерных батарей

На сегодняшний день существует два основных вида таких батарей - стандартные и быстроразрядные. Они различаются между собой по уровню максимального разрядного тока. Этот показатель указывают либо в единицах аккумуляторной емкости, либо в амперах. В большинстве случаев максимальный уровень разрядного тока не превышает 3С. Однако некоторые модели могут давать ток в 5С. В быстроразрядных устройствах допускается ток разряда до 8-10С. Однако для бытовой техники быстроразрядные модели не используются.

Особенности применения

Применение литий-полимерного аккумулятора позволяет существенно увеличить время эксплуатации электромотора при сниженном весе самой батареи. Поэтому если заменить обычную батарею NiMH 650 мАч на два обычных литий-полимерных аккумулятора, то можно получить в 3 раза более емкий энергоноситель. При этом такая батарея будет более чем на 10 г легче. Если же взять быстроразрядные батареи, то тогда можно достичь еще более высокой производительности. Такая система станет отличным вариантом не только для небольших моделей самолетов или вертолетов, но и для внушительных радиоуправляемых устройств.

Литий-полимерные батареи, в отличие от литий-ионных, хорошо показали себя при использовании в вертолетах небольшого размера, таких как Hummingbird и Piccolo. Подобные модели с обычными коллекторными моторами могут летать на двух полимерных батареях в течение получаса. При использовании бесколлекторного мотора это время увеличивается до 50 минут. Такой тип аккумуляторных батарей считается идеальным вариантом для комнатных самолетов небольшого веса. Их эффективность в данном случае обуславливается гораздо меньшим весом по сравнению с NiCd батареями.

Единственное направление, в котором литий-полимерный аккумулятор уступает NiCd, это применение в устройствах со сверхвысоким разрядным током до 50 С. Однако, вполне возможно, что уже через несколько лет появятся более мощные батареи такого типа. При этом цены на литий-полимерные, литий ионные и NiCd аккумуляторы являются примерно одинаковыми при той же самой массе устройств.

Особенности эксплуатации

Правила эксплуатации литий-полимерного и литий-ионного аккумуляторов во многом схожи. При использовании батареи полимерного типа необходимо избегать некоторых опасных ситуаций, которые могут нанести ей непоправимый вред:

• зарядка устройства с напряжением 4,2 вольт на банку;
• разрядка токами с нагрузочной способностью, превышающей должную;
• разрядка с напряжением ниже 3 вольт на банку;
• разгерметизация батареи;
• нагревание устройства выше 60 градусов;
• длительное хранение в полностью разряженном состоянии.

Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы отличаются пожароопасностью во время перегревания и переразрядки. Чтобы бороться с таким явлением, все современные батареи оснащаются встроенной электронной системой, которая препятствует переразрядке или перегреванию. Именно поэтому литий-полимерный аккумулятор требует специальных алгоритмов зарядки.

Зарядка

Процесс заряда литий-полимерных аккумуляторов практически ничем не отличается от зарядки литий-ионных батарей. Зарядка большинства литий-полимерных батарей при стартовом зарядном токе в 1С достигается примерно в течение 3 часов. Чтобы достичь полного заряда, необходимо иметь напряжение на аккумуляторе, соответствующее верхнему порогу. Кроме того, необходимым условием является уменьшение тока заряда до 3% от номинального значения. При этом во время подобной зарядки такой аккумулятор всегда остается холодным. Если вы хотите поддерживать батарею постоянно в заряженном состоянии, то тогда подзарядку желательно проводить примерно один раз в 500 часов, что соответствует 20 суткам. Как правило, зарядка обычно проводится в том случае, когда напряжение на выводах аккумулятора снижается до 4,05В. Зарядку прекращают после того, как напряжение на выводах достигнет 4,2В.

Температурный режим заряда

В большинстве литий-полимерных аккумуляторов предусмотрена зарядка при температуре 5-45 градусов при силе тока 1С. Если же температура находится в пределах от 0 до 5 градусов, то тогда рекомендуется перейти на ток в 0,1С. Зарядка при минусовой температуре в данном случае полностью запрещена. Традиционно, считается, что наиболее удачные условия для заряда - это 15-25 градусов. Поскольку все процессы заряда в литий-полимерных и литий-ионных аккумуляторах практически идентичны, то для них можно использовать одни и те же зарядные устройства.

Условия разрядки

Традиционно, такой тип аккумуляторов разряжается при показателях напряжения 3,0В на батарею. Впрочем, некоторые виды устройств необходимо разряжать при минимальном пороге 2,5В. Производители мобильных устройств предусматривают порог выключения 3,0В, который будет годиться для любых типов батарей. То есть, по мере разрядки аккумулятора при включенном мобильном устройстве напряжение постепенно падает и, при достижении показателя 3,0В, прибор автоматически предупреждает вас и сам выключается. Однако при этом устройство все равно продолжает потреблять какое-то количество энергии от батареи. Это требуется для того, чтобы определять нажатие кнопки включения или для других подобных функций. Также энергия здесь может использоваться для собственной схемы защиты и управления. Тем более, что небольшой уровень саморазрядки все таки остается характерным для литий-полимерных носителей. Поэтому если оставить такие аккумуляторы на длительное время, то напряжение в них может упасть ниже 2,5В, что очень вредно. Могут отключиться все внутренние системы защиты и управления. В результате, такие батареи уже не смогут быть заряжены обычными зарядными устройствами. Помимо этого, полная разрядка очень вредна для внутренней структуры батареи. Поэтому полностью разряженный аккумулятор необходимо на первом этапе заряжать минимальным током в 0.1C.

Температурный режим при разрядке

Лучше всего литий-полимерный аккумулятор чувствует себя в условиях комнатной температуры. Если использовать устройство в более жарких условиях, то срок службы батареи может существенно снизиться. Что касается литий-ионной батареи, то такой аккумулятор лучше всего работает при высокой температуре. Вначале она препятствует повышению внутреннего сопротивления батареи, которое считается результатом старения. Правда, в последующем энергоотдача сокращается и повышение температуры ускоряет процесс старения за счет увеличения внутреннего сопротивления.

Литий-полимерный аккумулятор имеет несколько другие условия эксплуатации, так как он обладает сухим и твердым электролитом. Идеальной температурой для его работы является 60-100 градусов. Поэтому такой энергоноситель стал идеальным вариантом для источников резервного питания в регионах с жарким климатом. Их специально помещают в теплоизоляционный корпус со встроенными нагревательными элементами с питанием от внешней сети.

• Литий-полимерный аккумулятор превосходит по емкости и долговечности литий-ионный.
• Удобство использования в полевых условиях, когда нет возможности управлять температурой.
• Высокая плотность энергии на единицу веса и объема.
• Низкая саморазрядка.
• Тонкие элементы не более 1 мм.
• Гибкость формы.
• Отсутствие эффекта памяти.
• Широкий диапазон рабочих температур от −20 до +40 °C.
• Незначительность перепада напряжения при разрядке.

Недостатки литий-полимерных батарей:

• Низкая эффективность при температуре -20 градусов и ниже.
• Высокая цена.

Лучшие современные малогабаритные гальванические источники питания - это элементы, использующие в качестве активного компонента соединения лития. Этот материал имеет самую меньшую массу из всех доступных для практического использования металлов, благодаря чему он обладает самым большим электрохимическим потенциалом. Это позволяет получать наиболее высокую плотность тока на единицу веса изготовляемых батарей.

Содрежание

Особенности технологии

Элементы питания, изготовленные по технологии, использующей литиевые электроды и включения этого металла в состав электролита, имеют прекрасные технические параметры, высокую емкость, большой рабочий ток, долговечность и компактность.

Одними из наиболее распространенных видов таких АКБ являются литий-ионные (Li Ion) и литий-полимерные (Li Polymer) изделия. Они имеют много схожих конструктивных особенностей, но и некоторые различия, влияющие на их эксплуатационные характеристики.

Рассмотрим подробнее, какие особенности и отличия имеют аккумуляторы, изготовленные по этим технологиям.

Что общего у Li Ion и Li Pol аккумуляторов

Оба вида рассматриваемых источников питания имеют следующие одинаковые особенности:

• идентичная конструкция электродов, имеющих в составе анода углеродный материал (обычно графит), а в катоде – кобальт, оксид ванадия или марганца;
• сходная химическая реакция, в результате которой возникает электродвижущая сила в литиевых элементах, обусловленная взаимодействием электродов, разделенных электролитом с включением солей лития;
• одинаковое номинальное напряжение, равное 3,7 вольтам;
• одинаковый срок хранения, составляющий 2-3 года;
• сходство конструкции позволяет использовать одни и те же зарядные устройства для обоих видов батарей;
• они не имеют эффекта памяти, но чувствительны к сильному разряду и опасны при перезаряде (больше 4,2 вольт), при котором может произойти возгорание или взрыв;
• оба вида батарей запрещено использовать при наличии повреждений и после сильного разряда (ниже 2,7 вольт).

Различия между Li Ion и Li Pol батареями

Li pol элементы питания отличаются от литий ионных в основном по физическому состоянию электролита.

В первом случае используется твердый полимерный электролит, либо пластины с включениями гелеобразного электролита, а во втором случае электроды разделены жидким активным веществом.

Использование полностью сухого электролита снижает его активность, поэтому для улучшения эксплуатационных характеристик батарей, в него добавляют вкрапления гелевого полужидкого электролита.

Использование полимерной электролитной прослойки вместо пористого сепаратора, наполненного электролитом, усложняет технологический процесс и удорожает его, но позволяет получить более удобные и безопасные при эксплуатации источники питания.

Характеристика	Lithium-Ion	Lithium-Polymer
Плотность энергии	Высокая	Низкая
Эффект старения	Со временем теряет емкость	Тоже теряет, но не так интенсивно, как li-ion
Шансы на взрыв	Может взорваться при перезаряде	Безопасны от взрыва
Стоимость	Дешевые	Дорогие
Время зарядки	Долго заряжаются	Заряжается существенно быстрее
Вес	Тяжелее	Легче

В то же время, использование сухого полимера уменьшает активность электролита и обеспечивает приемлемые электрические параметры только при высокой температуре. В связи с этим при производстве большинства современных литий-полимерных источников используется гибридная технология, при которой в сухой полимерный материал добавляются вкрапления гелеобразного электролита. Это увеличивает его ионную электропроводность при сохранении высоких эксплуатационных характеристик.

Чем литий ионный АКБ лучше литий полимерного

Литий-ионные источники питания обладают следующими преимуществами по сравнению с литий-полимерными:

• использование более активного жидкого электролита позволяет получить более высокую энергетическую плотность и улучшенные характеристики токоотдачи при нормальной и пониженной температуре;
• производство таких АКБ обходится дешевле, чем литий полимерных элементов;
• они выдерживают большее количество рабочих циклов разряда-заряда, имеют увеличенный срок службы.

В то же время, использование активной электролитной жидкости внутри корпуса таких батарей обуславливает наличие ряда недостатков:

• необходимо использовать более герметичные и прочные корпуса для предотвращения утечки электролита;
• увеличивается общий вес батарей;
• уменьшается универсальность использования;
• Li ion батареи более взрывоопасны, сильнее боятся перезаряда, требуют использования специальных встроенных устройств защиты;
• им необходим больший по продолжительности времени заряд с обязательным контролем максимального напряжения и температуры;
• они имеют меньшую емкость при одинаковых размерах;
• высокая активность жидкого электролита обуславливает более быстрое старение литий-ионных моделей батарей, которые теряют около 0,1% от общей емкости в месяц.

Чем литий полимерный АКБ лучше литий ионного

Li po источники питания обладают следующими преимуществами:

• использование сухого или полусухого электролита позволяет изготавливать компактные батареи любой формы и размера, а также делать их гибкими;
• они имеют меньший вес и размеры по сравнению с идентичными по рабочим характеристикам литий-ионными АКБ;
• более высокая (почти в два раза) емкость при одинаковом общем объеме батареи;
• лучшая безопасность и меньший риск перезаряда, отсутствие риска утечки электролита;
• меньшее время, необходимое для зарядки;
• меньшая изнашиваемость.

Литий-полимерные источники питания имеют и недостатки:

• уменьшенную энергетическую плотность, поэтому у них меньше допустимый ток разряда и меньше максимальная отдаваемая мощность;
• они более дороги в производстве;
• они выдерживают меньшее количество циклов заряд-разряд.

Что лучше выбрать li ion или li polymer

Между обоими видами батарей существует не столь большая разница, которая позволила бы сделать однозначный выбор в пользу того, или иного элемента питания. Выбор необходимого вида АКБ необходимо осуществлять в зависимости от каждого конкретного случая.

В наше время появляется все больше и больше портативной переносной аппаратуры. Это могут быть мобильные телефоны, bluetooth-колонки и различные гаджеты. Наиболее часто используемым источником энергии в этом случае является литий-полимерный аккумулятор (Li-Po).

Литий полимерный аккумулятор в радиоприемнике

Такие аккумуляторные батареи имеют превосходную плотность энергии на килограмм , так называемый Вт × час /кг (Wh/kg) или на английский манер gravimetric energy density . Этот параметр показывает, как много энергии содержит аккумулятор либо конденсатор по отношению к его массе. Например, автомобили Тесла используют в своих электрокарах аккумуляторы с плотностью энергии в 254 Вт × час/кг.

Самой бешеной плотностью энергии на килограмм является элемент Уран-235. Если создать все условия для его расщепления, чем и занимаются на АЭС, то можно получить с него энергию до 24 500 000 000 Вт × час/кг! Это почти в 10 000 000 раз выше, чем у бензина. Можно сказать, что 1 кг урана даст в 10 000 000 раз больше энергии, чем 1 кг бензина, если, конечно, “разогнать” уран в ядерном реакторе.

Есть также такой параметр, как плотность энергии по отношению к объему или на английский манер volumetric density energy . Этот параметр показывает как много энергии содержит аккумулятор либо конденсатор по отношению к его объему. Выражается этот параметр, как Вт×час/литр или на английский манер Wh/L. Не забываем, что объем можно выражать также в литрах.

График эффективности различных типов аккумуляторов выглядит так:

График эффективности аккумуляторов различных видов

В настоящее время существуют множество литий-полимерных аккумуляторов разных форм и видов.

Виды литий-полимерных аккумуляторов

В первую очередь давайте разделим наши аккумуляторные батареи по видам. Есть одноэлементные батареи, которые выдают номинальное напряжение в 3,7 Вольт, а также есть многоэлементные батареи, которые состоят из одноэлементных. Здесь работает правило последовательного и параллельного соединения источников питания.

Последовательное и параллельно соединение источников питания

Получаем, что если соединять последовательно одноэлементные LiPo аккумуляторы, то можно увеличивать кратно их общее напряжение.

*cell – элемент, ячейка.

Одноэлементные аккумуляторы чаще всего можно увидеть в ваших мобильных телефонах и других гаджетах.

Многоэлементные аккумуляторы используются в электровелосипедах, электроскутерах и тд.

Схема контроля и защиты аккумуляторной батареи

На простом одноэлементном аккумуляторе мы можем увидеть , который закрывает контакты аккумулятора

Некоторые дешевые одноэлементные аккумуляторы не имеют схемы защиты и контроля от перезаряда и разряда. Выводы в этом случае выходят прямо из батареи.

аккумулятор без схемы контроля и защиты

Но на большинстве аккумуляторов все-таки присутствует схема защиты и контроля заряда

аккумулятор со схемой защиты и контроля заряда

Здесь мы можем увидеть микросхему-контроллер DW01x, которая выполняет сразу несколько функций.

Она разработана специально для литий-ионных/полимерных батарей и защищает их от повреждения или ухудшения срока службы из-за перезаряда, переразряда и/или сверхтока для одноэлементной литий-ионной/полимерной батареи. Более подробно ознакомится с ней можно .

Также можно увидеть микросхему 8205

микросхема 8205 в литий-полимерном аккумуляторе

Эта микросхема является сборкой из двух N-канальных MOSFET транзисторов, которые управляются нашей DW01x.

Более подробно в даташите .

В сборе вся схема заряда на Li-Po одноэлементную батарею выглядит приблизительно вот так:

схема защиты литий-полимерного аккумулятора

Как вы могли заметить, микросхема 8205 представлена в виде двух МОП-транзисторов.

На Алиэкспрессе можно найти готовые модули для зарядки одноэлементных батарей. Здесь отчетливо видно микросхемы DW01A, 8205A, а также незнакомую нам TC4056A, которая является еще одним программируемым контроллером. Она задает ток зарядки, напряжение и тд. с источника питания. С таким модулем ваша аккумуляторная батарея без схемы защиты может спать заряжаться спокойно.

модуль контроля и защиты заряда для литий-полимерных батарей

Присмотреть себе такой модуль вы можете по этой ссылке .

Что будет, если мы вообще уберем схему защиты и контроля? Итак, для этого нам понадобится простой кислотный аккумулятор.

Берем вот такой аккумулятор

и цепляем его к нашей LiPo батарее без схемы защиты и контроля заряда, то есть напрямую к ее выводам

В течение нескольких секунд батарею сначала пучит

вздувшаяся литий-полимерная батарея

А потом она взрывается.

взорвавшаяся литий-полимерная батарея

Поэтому, схема контроля и защиты очень важна для LiPo аккумуляторных батарей.

Параметры схемы защиты и контроля

Давайте разберем некоторые параметры схемы защиты и контроля на литий-полимерную батарею на базе микросхемы DW01-P

основные параметры схемы защиты для литий-полимерного аккумулятора

Сразу можно заметить, что если к батарее с напряжением самого элемента в 3,9 В не подключена никакая нагрузка, то схема защиты и контроля будет “кушать” 3 мкА. Это вообще копейки. Если же на элементе будет 2 В, то схема уйдет в так называемый очень экономный режим и будет кушать максимум 0,1 мкА, то есть почти ничего.

Ну теперь можно перейти к более интересным параметрам.

Overcharge Protection Voltage

По-русски, защита от переЗАРЯДА. В нашем случае типичное значение этого параметра составляет 4,25 В. То есть, когда наша батарея зарядится до 4,25 В, сработает защита и батарея перестанет потреблять ток.

Давайте проверим это на практике. Выставляем на блоке питания значение в 4,2 Вольта

и начинаем заряжать наш аккумулятор. О том, что аккумулятор начал заряжаться, нам показывает индикация силы тока. В данный момент она равна 0,72 Ампера.

Но что случится, если мы подадим большее напряжение на батарею? Выставляем 4,5 В и смотрим на потребление силы тока аккумулятором.

Как вы могли заметить, потребление сразу же упало до нуля, что говорит нам о том, что сработала защита. Напряжение, более чем 4,2 Вольта для Li-ion/Po аккумуляторов считается убийственным. В данном случае схема защиты и контроля заряда отлично справилась со своей работой.

Overcharge Release Voltage

Очень интересный параметр. Итак, у нас батарея “наелась” электрического тока до 4,25 В. Схема защиты ее отключила от дальнейшего заряда, иначе она бы бабахнула, как в опыте выше. Но вот было бы неправильно, если зарядка батареи продолжалась бы после того, как напряжение на батарее просело бы, допустим, до 4,24 В. Что опять подзаряжать батарею? Опять лишний раз “дергать” ключи на мосфетах? Зачем? Поэтому, вводят так называемый гистерезис. Когда напряжение на самом элементе просядет до этого значения, то он снова начнет заряжаться.

В нашем случае типичное значение составляет 4,05 В. То есть, если напряжение батареи просядет до этого уровня, схема контроля и защиты вновь продолжит заряд аккумулятора до уровня Overcharge Protection Voltage.

Overdischarge Protection Voltage

Защита от переРАЗРЯДА.

Достигнув этого значения, батарея уходит в глубокую спячку. Но почему так происходит, что она не желает заряжаться? Дело как раз в параметре Overdischarge Release Voltage (о нем ниже).

Overdischarge Release Voltage

Пока разряженная батарея не достигнет этого уровня, все попытки зарядить ее тщетны, если только напрямую подать электрический ток сразу на выводы аккумулятора, хотя в этом режиме она все равно может заряжаться, но очень-очень долго. То есть в нашем случае, для того, чтобы снова можно было заряжать батарею, на элементе должно быть напряжение не менее 3 В. Если будет меньше, заряд просто не пойдет.

PS. Эх, сколько было выкинуто таких батареек на свалку человечеством! Люди думали, что батарейка полностью сдохла и отказывалась заряжаться. А всего-то надо было немного подзарядить элемент до уровня разрешения зарядки Overdischarge Release Voltage и спокойно дальше заряжать аккумулятор.

Overcurrent Protection

Ну а также есть замечательный параметр, как перегрузка по току Overcurrent Protection . В нормальном режиме микросхема DW01x постоянно контролирует ток разряда на своем выводе CS. Здесь есть два пути развития событий:

– если на ноге CS будет напряжение 150 мВ (перегруз по току), то через 10 мс батарея уйдет “спать” и полностью отключит нагрузку

– если на этой ноге будет напряжение 1,35 В (режим короткого замыкания выводов) то батарея уйдет “спать” меньше, чем за 500 мкс. То есть как только коротнули выводы, батарея мгновенно отключает нагрузку).

Для того, чтобы батарея вышла из спящего режима, надо полностью отцепить нагрузку, либо сделать так, чтобы нагрузка превышала 500 кОм.

Короткое замыкание без схемы защиты и контроля

А что если устроить короткое замыкание батареи без схемы защиты и контроля? Для этого убираем эту плату и коротим выводы батареи накоротко. Через несколько секунд видим, что ее пучит и разрывает.

Поэтому, с ними нужно быть как можно более осторожными, не замыкать выводы и не перегружать по току, если собираетесь их использовать в своих разработках. Для них идет специальное умное зарядное устройство, которое отключает заряд при полном заряде батареи

либо специальный модуль для заряда таких аккумуляторов

Его можете посмотреть по этой ссылке .

Материал для статьи был подготовлен по видео

Литий-полимерные аккумуляторы появились на рынке не так давно, но уже служат источником питания для многих гаджетов. Эти АКБ применяют в смартфонах, планшетах, ноутбуках, детских игрушках и прочей технике.

Аккумуляторы постепенно совершенствуются, исправляются старые ошибки и недоработки. Но всё-таки литий-полимерные аккумуляторы выходят из строя, а иногда могут взрываться. Ниже будет рассмотрено, как избежать преждевременных поломок, где купить, а также особенности этого вида батарей.

Li-Po батареи - это один из видов литиевых АКБ. Разработка полимерных аккумуляторов основывалась на литий-ионных батареях. В них применяется жидкий электролит, из-за чего возникают некоторые проблемы при эксплуатации.

Главной целью специалистов было избавиться от старого электролита, так как он вызывал много трудностей.

Кроме этого, было сделано несколько изменений в принципе работы батареи.

Чтобы понять, чем литий-полимерные аккумуляторы отличаются от других, нужно разобраться в двух главных понятиях:

1. Электролит - это раствор кислоты, проводящий электрический ток. В отличие от обычных проводников, здесь ток проводят положительно заряженные ионы.
2. Полимер - это вещество, которое состоит из цепочки повторяющихся мономеров (группа молекул).

Итак, что же изменили учёные в литий-ионных батареях? Во-первых, электролит стал твёрдым. Во-вторых, в качестве электролита стал применяться полимер. Отсюда и название этих аккумуляторов.

При этом полимер очень тонкий, выглядит как плёнка. Полимер теперь не проводит ток, но свойство проводить ионы у него осталось.

Таким образом, учёные получили электролит и сепаратор в одном куске полимера.

Электрохимия сегодня быстро развивается, постоянно вносятся новые изменения в конструкцию Li-Po. Например, недавно в аккумуляторы были добавлены граблеобразные электролиты, которые содержат ионы лития.

Характеристики Li-Po

Данные, которые написаны ниже, постоянно изменяются, так как прогресс в электрохимии не стоит на месте.

Все характеристики актуальны только в 2019 году. Кроме того могут изменяться, в зависимости от батареи и производителя.

Основные характеристики:

1. Энергоёмкость - измеряется в mAh (миллиампер в час). Если вспомнить школьный курс физики, то ампер - это сила тока. Часы, в данном случае, характеризуют время, в течение которого эта батарея поддерживает необходимый ток. Для понимания сути характеристики возьмём обычный аккумулятор от смартфона на 4000 mAh, для примера. В течение одного часа такая батарея выдаёт ток силой 4000 mA. Если брать 4 часа, то сила тока будет примерно равна 1000 mA и так далее.
2. Следующая характеристика - это количество разрядов и зарядов, обратите на него внимание. Это число определяет, насколько долго проживёт аккумулятор. Li-Po имеют не так уж и много циклов. Норма для этих АКБ 400–500 циклов. Когда батарея отработает свои 500 циклов, её можно выкидывать. Ni-MH батареи имеют минимум 1000 циклов.
3. Входное и выходное напряжение. Входное - это напряжение, которое должно быть в розетке. Выходное - это то напряжение, которое выдаёт батарея. Чаще всего эти две характеристики равны, но бывают и исключения.

Правильная эксплуатация

Литий-полимерные аккумуляторы очень нежные. Есть много причин, из-за которых АКБ выходят из строя.

Несоблюдение правил эксплуатации приводит к пожару и полной неисправности.

Разберёмся, как использовать литий-полимерные аккумуляторы, чтобы они прослужили долго.

Правила эксплуатации:

1. Нельзя допускать перезаряд аккумулятора, то есть напряжение не должно превышать 4,2 вольта. Из-за перезаряда может возникнуть вздутие.
2. Короткое замыкание.
3. Подавать на аккумулятор ток, который превышает допустимую норму.
4. Сильный перегрев (выше 60 градусов).
5. Повреждение корпуса и разгерметизация.
6. Хранить литий-полимерные аккумуляторы в разряженном состоянии.

Из-за первых трёх причин часто возникает пожар. Чтобы этого не допустить, используйте только исправные зарядные устройства. От короткого замыкания спасёт правильный разъём, в котором есть защита от замыкания.

Также необходимо контролировать ток, потребляемый устройством, в котором стоит литий-полимерный аккумулятор.

Перегрев аккумулятора возникает из-за того, что само устройство, нагреваясь, нагревает и Li-Po АКБ.

Если температура батареи достигнет отметки в 70 градусов, то энергия, запасённая в аккумуляторе, начинает превращаться в тепло, тем самым увеличивая и без того большую температуру. При этом аккумулятор начинает поджигать всё вокруг. Особенно от этого страдают смартфоны с литий-полимерными аккумуляторами и ноутбуки.

Существует мнение, что Li-Po нельзя использовать при отрицательных температурах. Несмотря на то что диапазон, в котором АКБ работает нормально, установлен от 0 до 50 градусов, использовать при минусовых температурах всё-таки можно.

Главное, не переморозить батарею.

Держите её в тепле, например в кармане. Внутреннее тепло аккумулятора не позволит батарее остыть. Конечно, на морозе отдача будет несколько ниже, чем при использовании батареи в тепле.

В чём преимущества и недостатки литий-полимерных аккумуляторов

1. У полимерных АКБ большая электроёмкость.
2. Толщина батарей достигает одного миллиметра.
3. Форма корпуса может быть любой.
4. Если аккумулятор разряжен, то напряжение падает не так сильно, как в других АКБ.
5. У Li-Po нет эффекта памяти. Если кратко, то эффект памяти - это потеря значительной ёмкости батареи.
6. Батарея может работать в довольно большом диапазоне температур (от -20 до 40 градусов).

• если температура окружающей среды ниже -20 градусов, то батарея быстро разряжается;
• большая стоимость.

Сборка батареи своими руками

Чтобы собрать батарею самому, необходимо купить аккумуляторы, или в просторечии - банки. Для сборки нужно уметь паять и разбираться в основных понятиях электроники.

Для сборки батареи все купленные банки необходимо соединить параллельно. Для того чтобы определить количество банок в покупной батарее, необходимо посмотреть на этикетку. На ней пишут не только количество банок, но и количество банок, соединённых последовательно и параллельно.

Обычно буквой P указывают количество банок, соединённых параллельно, а буква S – соединенные последовательно. Например, на упаковке указано 3S2P. Расшифровывается это так: под корпусом есть 3 ряда аккумуляторов, соединённых последовательно, в каждом ряду по 2 банки.

Если вы используете аккумуляторы, которые купили отдельно, то перед тем, как соединять их между собой, следует уровнять потенциалы на клеймах.

Если этого не сделать, то банки начнут заряжать друг друга, из-за чего возникнет сила тока больше, чем 1С.

Также перед соединением необходимо разрядить все банки так, чтобы напряжение составляло 3V, током 0.1-0.2С. Особенно всё выше сказанное касается параллельного соединения. Напряжение измеряют цифровым вольтметром, иначе могут возникнуть неточности.

Многие производители не балансируют банки, чтобы ускорить и сэкономить на производстве батареи, поэтому балансировку лучше всего будет провести самостоятельно.

Чтобы избежать разбалансированности батареи в дальнейшем, ни в коем случае нельзя добавлять новые элементы в батарею последовательно старым.

К разбалансировке может привести эксплуатация банок с разной ёмкостью, пусть даже разница между значениями небольшая. Например, 1800 mAh и 2000 mAh. У разных производителей есть аккумуляторы с разным напряжением, а это приводит к разбалансировке.

Когда все аккумуляторы куплены, то можно начинать пайку элементов. Конечно, схему расположения элементов можно придумать своими силами, но лучше всего взять готовую.

Чтобы не перегреть выходы и герметичность банки, паяем аккуратно, иначе аккумулятор выйдет из строя, даже не поработав.

Можно приобрести специальную текстолитовую печатную плату, на которой будет удобнее распаивать провода. Её припаивают к каждой банке. Это добавляет небольшой вес банке (примерно 1 грамм), но паять становится гораздо удобнее, так как стеклотекстолит плохо проводит тепло и греть можно дольше.

Для балансировки используют специальную плату, которая содержит нагрузочные резисторы, схему для управления, а также светодиод, который загорится, если напряжение будет выше 4.2V.

Если напряжение превысило это значение, то плата замыкает часть тока, что не позволяет ему дальше повышаться. Такую плату необходимо припаять к каждой банке.

Правильная зарядка Li-Pol

Зарядка батареи - простое дело. Достаточно только источника постоянного тока, с напряжением в 4.2V. Ток должен быть в 1С, хотя многие современные модели могут выдержать целых 5С.

Полный заряд батареи занимает 1–3 часа, в зависимости от модели и её характеристик.

Также зарядку батареи можно прекратить, когда ток упадёт до 0.1С. Перед тем как аккумуляторы перейдут в режим стабилизации напряжения, они набирают 60–80 % энергии от всей ёмкости, при постоянном токе в 1С.

Для правильной зарядки необходимо тщательно выбирать зарядное устройство. Напряжение, которое выдаёт зарядное, должно составлять 0.01 на банку.

На рыке есть два типа зарядок. Первый - это бюджетные устройства, стоят от 10 до 50 долларов, предназначены только для . Второй - универсальные зарядные устройства, которые подойдут для разной техники. Конечно, стоят они намного дороже, от 80 долларов.

У дешёвых зарядок нет индикатора, показывающего ток, напряжение, время зарядки. Количество банок и необходимый ток выставляют с помощью перемычек либо подключая зарядное устройство к разным разъёмам на устройстве.

Плюс дешёвого варианта в низкой цене. Минус таких зарядок заключается в том, что они не умеют точно определять, когда нужно прекратить зарядку. Всё, что они могут, это определить момент перехода от стабилизации тока к стабилизации напряжения. Но, как правило, аккумулятор в этот момент заряжен только на 80 %.

У второго типа зарядных устройств есть больше преимуществ, чем у первых. Они позволяют сразу же узнать напряжение, ток, заряд, который был «передан» аккумулятору в процессе.

Заключение

За последние несколько лет литий-полимерные аккумуляторы сильно изменились. Многие люди предполагают, что за ними стоит будущее электрохимии. Хотя на рынке активно появляются топливные энергоносители.