Химический состав литий полимерного аккумулятора

Литий-полимерные аккумуляторы: свойства, сборка и зарядка

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.

Специфические свойства литий-полимерных аккумуляторов

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

Чтобы рассчитать ёмкость этой батареи, предположим, что у 1 банки 1500 mAh, тогда общая ёмкость равна 3000 mAh, так как при параллельном соединении возрастает ёмкость.

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

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.

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.

На рыке есть два типа зарядок. Первый — это бюджетные устройства, стоят от 10 до 50 долларов, предназначены только для литиевых аккумуляторов. 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.

Источник

Литий-полимерный аккумулятор – плюсы и минусы

Статья обновлена: 2020-12-17

Статья обновлена: 26.11.2020

Литий-полимерные аккумуляторы – это современные элементы питания с отличными эксплуатационными характеристиками. Они стали новой ступенью развития литий-ионной технологии. Аккумуляторы типа Li-Polymer применяются в смартфонах, планшетах, электронных книгах, квадрокоптерах, моделях на радиоуправлении, портативных электроинструментах и другой технике.

Использование полимерного электролита повышает безопасность использования аккумуляторов, предоставляет свободу форм и размеров, в т. ч. позволяет получать сверхтонкие модели.

Изначально Li-Pol элементы питания уступали Li-ion аналогам по ионной проводимости и диапазону допустимых температур. Но модели обоих типов, используемые в современной технике и электронике, по рабочим характеристикам практически идентичны.

Особенности Li-Pol технологии

Главное отличие Li-Pol моделей от Li-ion аналогов состоит в типе применяемого электролита. При производстве накопителей энергии категории Li-ion катод и анод разделяют пористым сепаратором. В его порах содержится жидкий электролит. У элементов питания категории Li-Pol роль электролита выполняет полимер с токопроводящими добавками.

Основой для производства Li-Polymer аккумуляторов стали полимеры, которые при внедрении в их структуру ионов электролита переходят в полупроводниковое состояние с многократным возрастанием проводимости.

Ученым удалось создать несколько групп Li-Po аккумуляторов с разным составом электролита:

1. С сухим полимером – такие модели производятся с применением полиэтиленоксида и солей лития.
2. С мелкопористой полимерной матрицей – в нее внедряются неводные растворы солей лития.
3. С гомогенным электролитом в форме геля – создаются путем встраивания в полимерную структуру солей лития.

Характерным отличием Li-Polymer батарей является гибкая форма и мягкая оболочка вместо жесткого корпуса. Эта особенность обеспечивает элементам питания более легкий вес – на 20% по сравнению с Li-ion аналогами.

Принцип работы

По принципу работы Li-Po и Li-ion аккумуляторы идентичны. Заряд переносят ионы лития, которые перемещаются от катода к аноду и обратно, внедряясь в молекулярную структуру материалов. При зарядке элементов питания ионы Li + переходят от катода к аноду, а при разрядке – в обратном направлении. Проводящей средой для ионов Li+ служит полимер с включенными в его состав добавками из солей лития. Напряжение Li-Po ячеек в разряженном состоянии составляет от 2,7 до 3 В, а в заряженном – достигает 4,2 В.

Плюсы и минусы литий-полимерных батарей

Экспериментируя с используемыми материалами катода, анода и электролита, ученые добились повышения плотности тока и увеличения температурного диапазона Li-Po ячеек. У разных брендов технологии изготовления Li-Pol аккумуляторов. Поэтому и характеристики элементов питания отличаются. Но в целом плюсами литий-полимерных аккумуляторов являются:

• стойкость к токовым перегрузкам, сжатию, вибрациям и другим воздействиям;
• компактность;
• легкий удельный вес;
• низкое внутреннее сопротивление;
• разнообразие форм и толщин – вплоть до 1 мм;
• высокая удельная энергоемкость;
• малый саморазряд;
• невыраженный эффект памяти;
• стабильность напряжения в процессе разряда;
• напряжение 3,7 В на ячейку;
• высокий уровень безопасности;
• диапазон рабочих температур от -20 до +40 °С;
• ресурс от 500 циклов и выше.

Минусами литиево-полимерных аккумуляторов считается их относительно высокая цена, временное снижение емкости на морозе и подверженность естественной деградации – старению. Как и все элементы питания на основе лития, Li-Polymer модели постепенно теряют свою емкость – около 20% за 2 года активной работы.

Типы Li-Po батарей

В зависимости от допустимых разрядных токов Li-Po батареи делятся на 2 группы:

1. Обычные – с разрядными токами до 3–5С. Такие устройства применяются в смартфонах, планшетах, других видах электроники и бытовой технике.
2. Быстроразрядные или силовые (обозначение Hi discharge, HC или HD в маркировке) – устройства с допустимым током разряда до 8–10С. Они применяются в радиоуправляемых моделях, портативном электроинструменте, электромобилях и других устройствах, которым нужны большие разрядные токи.

Правила эксплуатации

Чтобы продлить срок службы Li-Poly батареи, нужно четко соблюдать рекомендации по ее эксплуатации. Прежде всего, необходимо использовать надежное зарядное устройство с подходящими параметрами. На универсальном ЗУ важно корректно выставлять настройки – напряжение 4,2 В на элемент и ток до 1С. Для силовых моделей допустим зарядный ток до 5С. Также для сохранения работоспособности Li-Po батареи важно:

• не допускать перезаряда – выше 4,2 В на элемент;
• избегать короткого замыкания;
• не допускать перегрева выше 60 °С, в т. ч. при заряде или разряде высокими токами;
• не оставлять элементы питания под воздействием прямых солнечных лучей, возле отопительных приборов или открытых источников огня;
• не нарушать герметичность оболочки;
• не разряжать ниже 3 В на элемент;
• не подвергать ударам, прокалыванию и другим механическим воздействиям;
• не хранить в разряженном состоянии;
• заряжать, не дожидаясь полной разрядки;
• после использования на морозе – выдерживать пару часов при комнатной температуре, а затем заряжать;
• хранить в полузаряженном состоянии в прохладном сухом месте, в стороне от тепловых приборов.

При нарушении правил эксплуатации элементы питания быстро теряют емкость. При перегреве до 70 °С происходит самопроизвольная реакция, преобразующая энергию в тепло. В результате аккумулятор может воспламениться. Но при соблюдении правил использования Lo-Po элементы они абсолютно безопасны, эффективно справляются со своими задачами и радуют долгим сроком службы.

Какую батарею выбрать: Li-Pol или Li-ion?

Из-за отсутствия жидкого электролита Li-Po батареи считаются более безопасными в использовании. В отличие от Li-ion элементов, они не привязаны к стандартным типоразмерам, бывают очень тонкими – от 1–2 мм, выполняются в мягкой оболочке и имеют более легкий вес. В остальном Li-Pol и Li-ion батареи практически идентичны.

Поэтому выбор зависит преимущественно от требований к весу и толщине аккумулятора. Если нужен сверхтонкий и легкий источник питания, преимущество отдается полимерным моделям. В остальных случаях обычно используются Li-ion батареи.

Источник