Плоские литий полимерные аккумуляторы

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.

Устройство и основные особенности Li─Pol аккумуляторов

Преимуществом замены жидкого органического электролита в литий─ионных аккумуляторах 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.

• 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.

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	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
Вид испытаний	Аккумулятор с гель-полимерным электролитом	Аккумулятор с жидким электролитом

В чём же разница между Li─Ion и Li─Pol аккумуляторными батареями. Они относятся к литиевым аккумуляторам 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.
Вернуться к содержанию

Характеристики Li─Pol аккумуляторных батарей

По своей энергоёмкости литий─полимерные аккумуляторные батареи имеют удельную энергоёмкость в 4─5 раз больше никель─кадмиевых и в 3─4 раза выше никель─металлогидридных. Оба этих типа относятся к щелочным АКБ. Сравнение производится именно с ними, поскольку в основном литиевые батареи заменили щелочные в мобильной электронике.

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.
Вернуться к содержанию

Сферы применения литий─полимерных АКБ

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.

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.

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.

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.
Вернуться к содержанию

Зарядка

Процесс зарядки полимерных аккумуляторов аналогичен зарядке ионных и выполняется достаточно просто. Это делается при постоянном напряжении 4,2 вольта на один элемент с верхним порогом по току 1C. Некоторые «силовые» модели АКБ можно заряжать током до 5C. Зарядка завершается после падения тока до 0,2С. При токе 1C набирается около 80 процентов ёмкости батареи. На полную зарядку Li─Pol аккумулятора требуется примерно 2 часа. Зарядное устройство должно обеспечивать высокую точность поддерживаемого напряжения в конце процесса зарядки. Допуск не более 0,01 вольта. На рынке зарядных устройств (ЗУ) имеется две категории. Простые зарядки по цене 20─50$, которые заряжают только литиевые АКБ. И универсальные ЗУ по цене 80─400$, с помощью которых можно заряжать несколько типов аккумуляторов.

Более дорогие устройства имеют расширенные возможности. Они отслеживают и выводят на информационный дисплей ток, напряжение, ёмкость, набранную аккумулятором.

Это позволяет им более точно отслеживать стадии процесса зарядки и его завершение. Пользователю остаётся только установить число банок и ток заряда. Остальное ЗУ сделает самостоятельно.

Источник

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