Аккумуляторы: Li-ion, Li-Pol, Li-ion-pol и правила их эксплуатации. В чём отличие литий─полимерного аккумулятора от ионного

В чём отличие литий─полимерного аккумулятора от ионного?

Подавляющее большинство жителей развитых стран имеют мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки. Когда вы приобретаете какой-нибудь гаджет в магазине, скорее всего, даже не задумываетесь о типе аккумулятора в нём. И это неудивительно. Технологии быстро развиваются, в том числе, в сфере аккумуляторов. Не так давно в мобильной электронике использовались Ni─Cd аккумуляторы, которые потом сменили Ni─MH. Затем появились литий─ионные, которые быстро завоевали рынок портативных гаджетов. И вот теперь их теснят литий─полимерные батареи. В какой-то момент пользователь начинает задумываться о том, какая аккумуляторная батарея у него. В чём её преимущества и недостатки? В этой заметке мы попытаемся понять, в чём заключается отличие литий─полимерного аккумулятора от литий─ионного.

Работы по созданию аккумуляторов с использованием лития велись достаточно давно. Но первые работоспособные экземпляры для бытовой техники появились только в 70-е годы прошлого столетия. Но тогда это были несовершенные модели с электродами из металлического лития. И эксплуатация таких аккумуляторов проблематичной в плане безопасности. Оставалось много нерешенных проблем с процессом заряда и разряда таких батарей.

Дело в том, что металлический литий очень активен и обладает высоким электрохимическим потенциалом. Его использование в аккумуляторах позволяет значительно увеличить энергетическую плотность. Аккумуляторные батареи с электродами из металлического Li, которые были разработаны первыми, имеют высокое напряжение и большую ёмкость. Однако постоянная работа такого аккумулятора в режиме заряда и разряда приводит к тому, что литиевый электрод изменяется.

Это приводит к тому, что стабильность работы нарушается и возникает угроза воспламенения из-за неконтролируемого протекания реакции в батарее. Аккумуляторный элемент быстро нагревается и, когда температура поднимается до плавления лития, то идёт бурная реакция с воспламенением. С этим были связаны отзывы первых аккумуляторов литиевого типа в потребительской электронике в начале 90-х годов.

В результате учёные стали заниматься разработкой АКБ на основе ионов Li. Из-за того, что пришлось отказаться от использования металлического лития, несколько уменьшилась энергетическая плотность. Но зато были решены проблемы с безопасностью при эксплуатации АКБ. Эти новые аккумуляторы получили название литий─ионных.

Энергетическая плотность литий─ионных аккумуляторов в 2─3 раза (в зависимости от используемых материалов) выше, чем у . При разряде Li─Ion аккумуляторы показывают схожие с Ni─Cd характеристики. Единственное, в чём они им уступают – это работа при сверхвысоких токах разряда (более 10С). К настоящему времени уже выпущено немало различных модификаций литий─ионных аккумуляторов.

Они отличаются материалом, используемым в качестве катода, форм-фактором и по некоторым другим параметрам. Их однозначно характеризует конструкция, в которую входят электроды, погружённые в жидкий электролит, содержащий ионы лития. Этот аккумуляторный элемент помещён в герметичную металлическую оболочку (сталь, алюминий). Для управления процессами заряда и разряда в литий─ионных аккумуляторных батареях есть печатная плата, называемая контроллером.

Чтобы картина по Li─Ion батареям была полной, рассмотрим их преимущества и недостатки.

Преимущества Li─Ion

• Небольшой саморазряд;
• Высокая энергетическая плотность и ёмкость по сравнению со щелочными;
• Один аккумуляторный элемент имеет напряжение около 3,7 вольта. Для кадмиевых и металлогидридных это значение 1,2 вольта. Это позволяет значительно упростить конструкцию. В телефонах, например, используются батареи, имеющие в своём составе только одну банку;
• Отсутствует эффект памяти, а значит, упрощается обслуживание АКБ.

Недостатки Li─Ion

• Необходим контроллер. Это печатная плата, которая контролирует напряжение аккумуляторного элемента или элементов, если их несколько. Плата также контролирует максимальный ток разряда, а в некоторых случаях и температуру банки. Без контроллера невозможна безопасная эксплуатация литий─ионной АКБ;
• Деградация Li─Ion системы идёт даже при хранении. То есть, через год ёмкость батареи ощутимо уменьшается, даже если она не используется. Аккумуляторы других типов (щелочные, свинцово-кислотные) тоже постепенно деградируют в процессе хранения, но у них это менее выражено;
• Цена литий─ионных выше, чем кадмиевых или .

Возможности литий─ионной технологии не выработаны до конца. Поэтому постоянно появляются новые батареи, где решаются те или иные проблемы этого типа АКБ. Подробнее о том, что представляет собой читайте в статье по указанной ссылке.

Li─Pol аккумулятор

Из-за проблем с обеспечением безопасности при заряде-разряде Li─Ion аккумуляторов стали вестись дальнейшие разработки модификаций этих батарей. В результате были разработаны литий─полимерные аккумуляторы. Их отличие от ионных в применяемом электролите. Стоит сказать, что первые разработки в этом направлении велись одновременно с Li─Ion технологией. Ещё в прошлом столетии был впервые использован сухой электролит из твёрдого полимера. По внешнему виду он похож на плёнку из пластика. Этот полимер не проводит ток, но не препятствуйте ионному обмену, который подразумевает движение заряженных атомов или их групп. Помимо содержания в нём электролита, полимер ещё выступает как пористый сепаратор между электродами.

Новая конструкция позволила повысить безопасность и упростить производство аккумуляторов. И ещё более важно то, что литий─полимерные аккумуляторы могут быть выпущены практически любой формы и очень малой толщины (до 1 миллиметра). Это позволяет делать различные устройства, работающие от Li─Pol аккумуляторных батарей, тонкими, компактными и изящными. Некоторые литий─полимерные аккумуляторные батареи могут быть даже вшиты в одежду.

Естественно, что есть и недостатки. В частности, Li─Pol аккумуляторы с сухим электролитом имеют низкую электрическую проводимость в условиях комнатной температуры. Это объясняется тем, что при этой температуре их внутреннее сопротивление большое, что препятствует выдаче разрядного тока, необходимого для работы портативной электроники.

Если нагреть литий─полимерный аккумулятор до 60 градусов Цельсия, то проводимость увеличивается. Понятно, что это не годится для использования в телефонах или планшетах. Однако аккумуляторы с сухим полимером нашли свою нишу на рынке. Их используются в роли запасных источников питания в условиях повышенных температур. Есть варианты, когда ставятся нагревательные элементы для обеспечения температуры, необходимой для нормальной работы аккумулятора.

Здесь стоит пояснить ещё один важный момент. Наверняка все видели, что в смартфонах, планшетах и ноутбуках уже давно используются аккумуляторы с пометкой Li─Pol. Это литий─полимерные аккумуляторы гибридного типа, если так можно выразиться. Они представляют собой нечто среднее между Li─Ion и батареями с сухим полимером. Производители, выпускающие литий─полимерные аккумуляторы, используют в них в роли электролита гелеобразное вещество с ионами лития.

Так, что практически все литий─полимерные аккумуляторы в современных мобильных гаджетах используют гелеобразный электролит. По своей конструкции они представляют собой гибрид ионных и полимерных батарей. В чём же отличие между ионными и полимерными АКБ с гелеобразным электролитом? Их основные электрохимические параметры примерно одинаковы. Отличие таких гибридных АКБ заключается в том, что в них вместо пористого сепаратора используется твёрдый электролит. Он, как говорилось выше, ещё и выполняет роль пористого сепаратора. А электролит в гелеобразном состоянии используется для того, чтобы увеличить электропроводимость ионов.

Литий─полимерные аккумуляторы всё больше распространяются на рынке и за ними будущее. По крайней мере, в сегменте бытовой техники и потребительской электроники. Но пока их внедрение идёт не очень активно. Некоторые эксперты на рынке объясняют это тем, что слишком много средств было вложено в разработку Li─Ion батарей. И инвесторы просто хотят «отбить» вложенные деньги. читайте по ссылке.

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.

Как заряжать и правильно эксплуатировать литий─полимерный аккумулятор?

В современных гаджетах используется всё больше литий─полимерных аккумуляторов. Этот тип батарей появился не так давно. Их конструкция и используемые материалы постепенно совершенствуются. Li─Pol аккумуляторы можно встретить в планшетах, некоторых моделях смартфонов и ноутбуков. Также они широко используются в игрушках и моделях на радиоуправлении. К нам приходит довольно много вопросов о том, как заряжать такие аккумуляторы. Об этом уже упоминалось в некоторых статьях. Поскольку эта тема пользуется большим спросом, мы решили вынести её в отдельную заметку.

Как правильно заряжать и эксплуатировать Li─Pol аккумуляторы?

Теперь непосредственно о том, как заряжать литий─полимерные АКБ и об их правильной эксплуатации. Для начала нужно понять, что литий─полимерная аккумуляторная батарея должна весь срок эксплуатации иметь напряжение в определённых рамках. Эти границы в большинстве случаев от 2,7 до 4,2 вольта. Эти значения соответствуют минимальному заряду и максимальному.

Стоит также понять, что ёмкость аккумулятора представляет собой количество запасённой энергии, которое он отдает, полностью разряжаясь со стопроцентной зарядки. Часто у этих аккумуляторных батарей верхний порог по напряжению ограничивается значением 4,1 В. При этом немного снижается ёмкость, но увеличивается срок службы батареи. Ведь для Li─Pol аккумуляторов вредны пограничные состояния (полного заряда и разряда). Это объясняется тем, что в таком состоянии ионы лития максимально внедрены в кристаллическую решётку катода или анода. Нахождение в таких пограничных состояниях даже непродолжительное время отрицательно сказывается на сроке его службы.

Так, что добиться максимального срока эксплуатации литий─полимерного аккумулятора можно, поддерживая уровень его заряда на уровне 40─60 процентов. Часто аккумуляторные батареи в продаже имеют примерно такой уровень заряда. Эти границы могут быть проконтролированы самим пользователем, а минимум и максимум заряда АКБ контролирует специальная плата. Она называется контроллером заряда-разряда.

Пользователям можно дать совет заряжать аккумулятор, не дожидаясь полного разряда. Также не следует заряжать его «под завязку». При 80% заряда вполне можно его отключать от адаптера. Остаётся только добавить, что в электронике (планшеты, ноутбука, смартфоны) работа платы-контроллера часто дополнена схемой питания в самом устройстве.

О чём нужно помнить пользователям при зарядке АКБ?

Для пользователя можно назвать ряд простых правил при эксплуатации Li─Pol аккумуляторов:

• Не доводите дело до минимального разряда батареи. Особенно не рекомендуется ждать до отключения телефона, планшета и т. п. Если это произошло, сразу ставьте АКБ на зарядку;
• Не бойтесь делать частые подзарядки. То есть, пользуйтесь розеткой в любой подходящий момент. Если при этом литий─аккумулятор не заряжается целиком, то частые зарядки ему не вредят. Можно, к примеру, использовать ноутбук для зарядки телефона. Для этого просто подключите его к порту USB. Также можно немного восполнить заряд аккумулятора от прикуривателя в машине, если есть соответствующий переходник. И ничего страшного, если вы не зарядите АКБ до конца. Наоборот, это лучший режим для Li─Pol батарей;
• Перезаряд аккумуляторной батареи может произойти даже при нормальной работе контроллера. Причиной здесь может стать рост температуры. К примеру, аккумулятор полностью зарядился и контроллер отключил банку от зарядки. Если дальше держать устройство на зарядке, оно может немного нагреться. Соответственно, нагреется и аккумулятор. Вместе с температурой растёт и заряд батареи. И это не способствует увеличению срока службы литий─полимерной АКБ;
• В идеальном случае зарядка Li─Pol батареи должна находиться на уровне 50 процентов. В реальных условиях это сложно. Но поддерживать заряд в интервале 30─80 процентов вполне реально.

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

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.