Аккумулятор для отрицательных температур

Морозостойкие литиевые аккумуляторы от компании EEMB

Литий-полимерный аккумулятор с возможностью заряда при температуре окружающей среды -10°С, а работы – при температуре до -40°С? Легко! Это стало возможным с новой серией аккумуляторов производства компании EEMB. Их можно отличить по аббревиатуре LC в серийном обозначении.

Первый литиевый аккумулятор, – а именно литий-ионный (Li-Ion), – был продемонстрирован в 1991 году, и в этом же году началось серийное производство. С того момента прошла уже четверть века, и в течение этого времени технические характеристики аккумуляторов развивались и совершенствовались. В основном внимание уделялось увеличению удельной энергоемкости и срока службы, снижению массогабаритных характеристик и стоимости, повышению экологичности и безопасности. Время не было потрачено впустую – в результате развития появились новые разновидности аккумуляторов, например литий-полимерные (Li-Pol) и литий-железофосфатные (Li-FePO4).

Сравнивая указанные типы аккумуляторов по основным параметрам (таблица 1), видим, что каждый из них обладает как преимуществами, так и недостатками. Литий-ионные обладают самой высокой удельной энергоемкостью, средней стоимостью ватт-часа и меньшим количеством циклов «заряд/разряд». Литий-полимерные аккумуляторы обладают наименьшей стоимостью ватт-часа, немного меньшей удельной энергоемкостью и средним значением циклов «заряд/разряд». Литий-железофосфатные имеют максимальную стоимость ватт-часа, меньшую энергоемкость среди литиевых аккумуляторов, но самый длительный срок службы и срок хранения.

Таблица 1. Основные параметры литиевых аккумуляторов

Параметры	Тип аккумулятора
	Li-Ion	Li-Polymer	LiFePO4
Номинальное напряжение на ячейку, В	3,7		3,2
Число циклов заряд/разряд до потери 20% емкости	300…500	500…800	Более 2000
Срок хранения до потери 20% емкости, лет	1,5 (тип.)		5…10
Температурный диапазон разряда тип., °С	-20…60	-10…60	-20…50
Удельная энергоемкость, Вт час/кг (тип.)	210…230	130…160	120…130
Стоимость за ватт-час тип., $	0,6…1,1	0,4…0,6	0,8…2,3

Учитывая комплекс указанных параметров, можно считать, что на сегодняшний день для подавляющего большинства применений оптимальным типом аккумулятора является литий-полимерный, а литий-железофосфатный аккумулятор имеет очень хорошие перспективы, особенно при снижении стоимости ватт-часа.

Отрицательной потребительской характеристикой всех литиевых аккумуляторов является то, что они весьма плохо приспособлены к минусовым температурам. Как правило, они допускают разряд при температуре не ниже -10…-20°С (с уменьшением емкости и отдаваемого тока), а заряд – только при положительной температуре. Конечно, есть литиевые аккумуляторы, которые можно разряжать при температуре -50°С, а также и заряжать вплоть до -30°С, но это специально разработанные достаточно дорогостоящие аккумуляторы, например, продукция французской компании SAFT. Подобная продукция востребована в авиации, нефтегазовой отрасли, военной технике и там, где требуется повышенная надежность и безопасность.

Во многих приложениях коммерческого и бытового назначения не всегда требуются превосходные характеристики, но важной является приемлемая стоимость проекта, то есть желательно иметь аккумулятор с оптимальным соотношением «цена-качество». Есть ряд приложений, в которых необязательно иметь аккумулятор с возможностью заряда при отрицательной температуре, например, носимая аппаратура, которую можно зарядить в нормальных условиях, но она обязана работать и на улице в зимний период. Это могут быть средства радиосвязи, контрольно-измерительная и контрольно-диагностическая аппаратура, устройства индивидуальной сигнализации (электронный маяк спасателя) и так далее.

Для таких приложений оптимальным образом подходит продукция компании EEMB, которая производит литиевые источники тока промышленного назначения уже с 1995 года. В настоящий момент компания разработала и серийно производит литий-полимерные аккумуляторы с возможностью разряда при температуре до -40°С.

На российском рынке компания известна уже более 10 лет и за это время заработала статус производителя качественной продукции среднего ценового диапазона. Головной офис компании и производство находятся в Китае, имеются представительства в США (Калифорния), Японии (Токио) и в России (Москва).

Рис. 1. Li-Pol-аккумулятор: внешний вид

Компания обладает современным оборудованием и необходимыми специалистами в области разработки и производства литиевых элементов питания, что подтверждается наличием сертификата на производство по стандарту ISO9001 и имеющимися собственными патентами. В частности, новая серия литий-полимерных аккумуляторов (рисунок 1) обладает тремя патентами, один из которых – на изобретение, и характеризуется улучшенными характеристиками при низких температурах. Аккумуляторы обладают повышенной стабильностью емкости, повышенной безопасностью и увеличенным жизненным циклом. Отличить новую серию от существующей стандартной можно по символам «LC» в конце наименования, например LP385590LC, где:

• LP – тип аккумулятора (Li-Pol);
• 38 – толщина аккумулятора (3,8 мм);
• 50 – ширина аккумулятора (55 мм);
• 90 – длина аккумулятора (90 мм);
• LC – низкотемпературная версия.

Рис. 2. Зависимость емкости Li-Pol-аккумуляторов при температуре -10/-20°C

Выше упоминалось, что литиевые аккумуляторы плохо приспособлены к отрицательным температурам, и это подтверждается рисунком 2. На нем приведены графики значений емкости и напряжения при температуре -10 и -20°С для стандартной версии аккумулятора (синий и красный цвет), а также для низкотемпературной версии аккумулятора (черный цвет). Приведенные зависимости снимались при разрядном токе 0,2С (C – емкость аккумулятора) до напряжения отсечки 2,75 В. В таблице 2 приведены значения емкости в явном виде при тех же условиях разряда.

Таблица 2. Емкость Li-Pol-аккумуляторов в зависимости от температуры

Версия аккумулятора	Емкость аккумулятора/рабочая температура
	60°С	25°С	-20°С	-40°С
Стандартная	98%		83%	нет
Низкотемпературная	98%		85%	72%

На рисунке 3 приведена обобщенная типовая кривая зависимости только для низкотемпературной версии аккумулятора, снятая при температуре уже -40°С.

Рис. 3. Зависимость емкости низкотемператорной версии Li-Pol-аккумулятора при температуре -40°C

Из графиков и таблицы видно, что стандартная версия допускает возможность разряда только до -20°С и при этом потеря емкости составляет 17%. Потеря емкости небольшая, но и предельная температура (-20°С) невелика, особенно для нашего климата.

У новой серии аккумуляторов также снижается емкость при отрицательной температуре, и снижение составляет 25…30%, но уже при температуре -40°С, что является неплохим показателем. Принимая во внимание, что стоимость ватт-часа новой серии аккумуляторов находится на уровне стандартной версии плюс 18…25%, можно утверждать, что у компании EEMB имеется очень интересный продукт для применения в российском климате.

Новая серия аккумуляторов допускает не только разряд при отрицательной температуре, но и возможность заряда. Аккумулятор можно заряжать при температуре не ниже -10°С током 0,2C. Однако зарядить в таких условиях его можно только до 70% от номинальной емкости. Следует оговориться, что в листе данных такая информация отсутствует – это недокументированные данные.

Обычно, выбирая аккумулятор, определяют его емкость, исходя из предполагаемого времени работы устройства. При выборе низкотемпературной версии аккумулятора в случае, если устройство потребляет повышенный ток, следует руководствоваться не только необходимой емкостью, но и возможностью получить требуемый ток при пониженной температуре (имеется ограничение на ток разряда при -40°С не более 0,2С). Может оказаться так, что главным фактором будет выступать уже не емкость, а именно возможность получить нужный ток. Требуемое значение тока всегда можно получить, но за счет увеличения емкости аккумулятора.

Традиционно литиевые аккумуляторы считаются потенциально опасными. В принципе это так, если принимать во внимание первые их образцы. Однако за время развития аккумуляторов их производители существенно повысили их безопасность. Опасность может возникнуть при физическом повреждении, а если аккумуляторы используются в соответствии с техническими условиями – они безопасны. Компания EEMB очень строго относится к этому аспекту и предусматривает различные меры, повышающие безопасность.

Процесс заряда-разряда литиевых аккумуляторов должен контролироваться. При разряде нельзя допускать снижения напряжения до значений менее 2,75 В, а при заряде – превышения значения 4,20 В. При этом необходимо контролировать ток, а в некоторых случаях – и температуру. Контроль можно возложить на специальную схему в составе конечного устройства, но удобнее заказать исполнение со встроенной в сам аккумулятор схемой. Например, если аккумулятор производителя EEMB содержит такую схему (или она входит в его конструкцию согласно условиям заказа), то в обозначении присутствуют дополнительные символы PCM; если требуется иметь аккумулятор с дополнительно установленными проводами (LD) и разъемом (/), то обозначение будет таким: LP385590LC-PCM-LD/.

Компания EEMB изготавливает аккумуляторы новой серии со стандартными или требуемыми параметрами (емкость/напряжение) и размерами. При определении собственных параметров следует руководствоваться величиной удельной энергоплотности, которая не должна превышать значения 100…110 Ач/дм³, если требуются аккумуляторы с индексом LC. Для стандартной версии аккумуляторов допускается несколько более высокая величина энергоплотности (зависит от емкости аккумулятора).

Литиевые аккумуляторы чувствительны к режиму заряда. Для полного и правильного заряда этого типа аккумуляторов используется комбинированный режим CC-CV (Constant Current – Constant Voltage) (см. рисунок 4).

Рис. 4. Режим заряда литиевых аккумуляторов

На начальном этапе продолжительностью два часа аккумулятор заряжается постоянным током, равным 0,5С, до достижения напряжения 4,2 В. Иногда допускается на первом этапе заряд током 1С в течении одного часа. Затем начинается второй этап длительностью 1 час, в течение которого контроллер при постоянном напряжении 4,2 В снижает зарядный ток до величины 0,02С или ниже, и на этом режим заряда считается законченным.

Компания EEMB кроме Li-Pol-аккумуляторов выпускает также Li-Ion, LiFePO4 и Ni-MH. В линейке продукции имеется широкий ряд первичных источников тока (батареек) наиболее популярных электрохимических систем и типоразмеров.

В мире достаточно много производителей литиевых химических источников тока, и подавляющее большинство сосредоточено в Китае. Это объясняется тем, что именно в этой стране находятся основные запасы лития. Однако не все производители имеют в линейке аккумуляторы с возможностью работы при -40°С. Выпустив низкотемпературную версию литий-полимерных аккумуляторов, компания EEMB существенно расширяет возможные области применения и подтверждает статус производителя качественной продукции.

Источник

Питание для холодного климата: морозостойкие литий-полимерные АКБ от EEMB

Литий-полимерные аккумуляторные батареи производства компании EEMB с индексом LC в конце наименования имеют возможность разряда при отрицательных температурах до -40°C. При этом значение емкости остается на уровне 70% от номинальной.

С егодня химические источники тока, — литиевые аккумуляторные батареи (АКБ) и гальванические элементы, — используются как в портативной электронике — в ноутбуках, сотовых телефонах, карманных ПК, мр3-плеерах и так далее, – так и в электротранспорте, накопителях энергии, энергосистемах. При этом производители всеми силами стараются повысить плотность хранения энергии, увеличив тем самым время автономной работы устройств. По своим характеристикам литиевые аккумуляторы превосходят разработки, произведенные по другим химическим технологиям (Ni-Cd – никель-кадмиевые аккумуляторы, Ni-MH – никель-металлгидридные аккумуляторы). Можно выделить следующие преимущества литиевых аккумуляторов:

• отсутствие «эффекта памяти», что дает возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости;
• высокая удельная емкость;
• небольшая масса;
• низкий уровень саморазряда – не более 3…5% в месяц.

Конечно, как и в любой технологии, у литиевых аккумуляторов есть и недостатки, например:

• необходимость схемы защиты (встроенной или внешней), 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 температуру элемента;
• более высокая стоимость по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами.

Типовые характеристики литиевых АКБ зависят от химического состава их компонентов, наличия или отсутствия в них примесей и варьируются в следующих пределах:

• напряжение единичного элемента (ячейки):
  • номинальное: 3,6…3,7 В;
  • максимальное: 4,2 В;
  • минимальное: 2,5…3,0 В;
• удельная энергоемкость: 110…243 Вт•ч/кг;
• число циклов «заряд/разряд» до достижения 80 % емкости: 600;
• саморазряд при комнатной температуре: 3…5% в месяц;
• ток нагрузки относительно емкости С, представленной в А•ч:
  • постоянный: до 3…5С (тип.);
  • оптимальный: до 1С;
• диапазон рабочих температур: -20…60°C (оптимальная: 20°C).

Технологии изготовления литиевых аккумуляторов постоянно улучшаются. Способы решения проблем с обеспечением безопасности эксплуатации и высокой стоимости привели к появлению литий-полимерных (Li-polymer или Li-pol) аккумуляторов.

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Изначально, 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 электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, поэтому разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Основные преимущества литий-полимерных аккумуляторов:

• малый саморазряд;
• толщина элементов: от 1 мм;
• свобода в выборе формы АКБ;
• незначительный спад напряжения по мере разряда;
• улучшенная безопасность.

По сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая, к тому же, снижается при температуре ниже нуля. Поэтому проблема разработок Li-pol-аккумуляторов состояла не только в поиске наиболее подходящего электролита с достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными материалами, но и в расширении диапазона рабочих температур.

Аккумуляторы с полимерным электролитом выпускают многие мировые производители. Электродные материалы, рецептуры электролита и технологии изготовления Li-pol-аккумуляторов разных компаний значительно отличаются. Соответственно, отличаются и их характеристики. На качество Li-pol-аккумуляторов и стабильность их работы сильно воздействует однородность полимера, на которую оказывают влияние как соотношение компонентов электролита, так и температура полимеризации.

Среди компаний, выпускающих литий-полимерные АКБ, выделяется компания EEMB – известный и хорошо зарекомендовавший себя производитель литиевых аккумуляторов, предлагающий широкий спектр химических источников тока [1]. Продуктовая линейка включает в себя первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) литиевые батареи. Со времени основания в 1995 году компания стала широко известна во многих ключевых сегментах рынка химических источников тока. EEMB производит высокотехнологичные литиевые батареи для промышленности и специальных применений.

Основным минусом литиевых аккумуляторов является существенное уменьшение емкости и быстрый разряд при низких температурах. Как правило, предельной температурой у аккумуляторов такого типа является -20°C.

В настоящий момент компания EEMB разработала и серийно производит литий-полимерные АКБ с возможностью разряда при температуре от -40°C (таблица 1). При этой температуре значение емкости остается на уровне 70% от номинальной при токе разряда 0,2С и напряжении отсечки 2,75 В, что намного больше военного стандарта емкости 40%. В дополнение к этому компания EEMB имеет ряд патентов на свое изобретение.

Таблица 1. Морозостойкие аккумуляторы EEMB

Наименование	Номинальное напряжение, В	Емкость, мАч		Размеры, мм			Вес, г
		Стандартная	Минимальная	Толщина	Ширина	Высота
LP383454LC	3,7	720	670	3,8	34	54	14,4
LP603048LC	3,7	900	850	6	30	48	18
LP963450LC	3,7	1800	1700	9,6	34	50	36
LP103450LC	3,7	1850	1800	10	34	50	37
LP505597LC	3,7	3100	2900	5	55	97	62

Низкотемпературные литий-поли­мерные батареи найдут широкое применение в устройствах, предназначенных для холодного климата.

Рис. 1. Низкотемпературный аккумулятор LP603449LC

Отличить морозостойкую серию аккумуляторов можно по наличию символов LC в конце наименования, например LP103454LC (рисунок 1), где:

• LP – тип аккумулятора (Li-Pol);
• 10 – толщина аккумулятора (1,0 мм);
• 34 – ширина аккумулятора (34 мм);
• 54 – длина аккумулятора (54 мм);
• LC – низкотемпературная версия.

Данные АКБ открывают новые возможности применения литиевых аккумуляторов, и это – существенная веха в аккумуляторном производстве.

На рисунке 2 изображены графики зависимости емкости и напряжения при температуре -10°С и -20°С для стандартной версии аккумулятора (синий и красный цвет), а также для низкотемпературной LC-версии аккумулятора (черный цвет). Изображенные зависимости снимались при разрядном токе 0,2 С (C – емкость аккумулятора) до напряжения отсечки 2,75 В. В таблице 2 приведены абсолютные значения емкости при тех же условиях разряда.

Рис. 2. Разряд стандартных и LC-АКБ в зависимости от температуры

Из графиков, изображенных на рисунке 2, и данных таблицы 2 видно, что стандартная версия допускает возможность разряда только до -20°С, и при этом потеря емкости составляет 15…17%. Потеря емкости несущественна, но и предельная температура (-20°С) невелика для северного климата.

Таблица 2. Емкость Li-Pol и стандартных аккумуляторов в зависимости от температуры

Версия батареи/температура	Энергоемкость батареи при разных рабочих температурах, %
	60°С	25°С	-20°С	-40°С
Стандартная батарея	98	98	83	–
Низкотемпературная (LC)	98	98	98	98

У новой LC-серии аккумуляторов также снижается емкость при отрицательной температуре, и снижение составляет 25…28%, но уже при температуре -40°С, что является весьма неплохим показателем. Принимая во внимание, что стоимость Ватт*часа новой серии АКБ выше стандартной версии примерно на 18…25%, можно утверждать, что EEMB имеет линейку очень перспективных аккумуляторов для применения в суровом российском климате.

Новые аккумуляторы допускают не только разряд при отрицательной температуре, но и возможность заряда. АКБ можно заряжать при температуре до -10°С током 0,2C. Однако зарядить в таких условиях его можно только до 70% от номинальной емкости (в технических данных эта информация отсутствует).

Немаловажным параметром низкотемпературных аккумуляторов является изменение их свойств при низкой температуре хранения. На рисунке 3 изображена зависимость емкости от температуры хранения при 20°С (красная линия) и -40°С (зеленая линия). Время хранения аккумуляторов составляло 15 суток, за эти дни емкость при 20°С уменьшилась на 5…6%, при -40°С – на 48%. Затем аккумулятор был заряжен при температуре 0°С, и вновь была проверена его емкость (рисунок 4). Значение емкости оказалось на уровне 99% от первоначального значения.

Рис. 3. График зависимости емкости аккумулятора от температуры хранения при 20°С и -40°С

Нужно отметить, что получены весьма неплохие результаты, так как -40°С для аккумулятора – это очень суровые условия, и то, что он за пятнадцать дней сохранил половину своей емкости, а при последующем заряде его емкость практически полностью восстановилась, говорит о высоком качестве продукции EEMB.

Рис. 3. График зависимости емкости аккумулятора от температуры хранения при 20°С и -40°С

Заключение

Существует ряд приложений, для которых весьма актуальна возможность работы при отрицательной температуре, например, для портативной аппаратуры, средств радиосвязи, контрольно-измерительной и контрольно-диагностической аппаратуры, устройств индивидуальной сигнализации (электронный маяк спасателя) и тому подобного. Для таких приложений, из соображений оптимального сочетания цены/качества, наилучшим образом подойдет продукция компании EEMB.

Производителей литиевых АКБ в мире достаточно много, их технологии изготовления и сама продукция могут существенно различаться. Однако не все они имеют в своей линейке продукции морозостойкие АКБ, актуальность которых для целого ряда областей применения очевидна. Наличие подобных АКБ в номенклатуре компании EEMB еще раз подтверждает ее статус производителя высококачественной продукции.

Современные литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают удельные характеристики, сравнимые с характеристиками литий-ионных аккумуляторов, а благодаря отсутствию жидкого электролита они более безопасны.

При всех стандартных проверках на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание) Li-pol-аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом. Перспективы серьезного расширения производства Li-pol-аккумуляторов и использования их в самых разнообразных областях техники не вызывают сомнений.

С появлением элементов литий-полимерных аккумуляторных батарей толщиной всего в 1 мм перед конструкторами электронных устройств открылись новые возможности в отношении конечной формы и размеров новой аппаратуры. Были убраны многие ограничения касательно микроминиатюризации радиоэлектронных устройств.

Источник