Встраиваемые литий полимерные аккумуляторы

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

Литий-полимерный аккумулятор — характеристики, плюсы и минусы

Литий- полимерная батарея – это аккумуляторная батарея, которая впервые приобрела популярность благодаря их внедрению в начале 1990-х годов крупными электронными компаниями. По сути, они представляют собой группу очень жестких отсеков для выработки электроэнергии, состоящих из трех частей: положительного электрода; отрицательный электрод; и электролит, или жидкое химическое соединение между ними. Большинство литий-ионных батарей, в отличие от более традиционных, также имеют электронный контроллер , который регулирует мощность и потоки разряда, чтобы ваша батарея не перегревалась и не взрывалась.

Литий-полимерный аккумулятор — описание, происхождение технологии

Те, кто изучал полимеры, задавались вопросом: “Li-Pol аккумулятор – что это”. Наиболее существенным различием между литий-ионными и литий-полимерными батареями является химический электролит между их положительными и отрицательными электродами. В Li-Po аккумулятор не заливают жидкость. Вместо этого, технология Li-Po использует одну из трех форм: сухое твердое вещество, которое было в значительной степени выведено из эксплуатации в течение прототипных лет литий-полимерных батарей; пористое химическое соединение; или гелеобразный электролит. Наиболее популярным среди них является последний тип аккумулятора, который вы найдете в новых ноутбуках и электромобилях. Загвоздка в том, что многие компании на самом деле не продают вам настоящий Li-Poly аккумулятор, вместо этого это литий-ионная полимерная батарея или Li-ion в более гибком корпусе.

Характеристики Li-pol аккумуляторов

Разберем такие параметры как зарядка, правильные критерии выбора, плюсы и минусы, срок службы литий-полимерного акумулятора.

Емкость

Высокая плотность энергии. Как говорится в свойстве, высокая плотность энергии означает высокую мощность без больших и громоздких. Это причина, почему она все еще существует в мире прогресса, поскольку это требуется ноутбукам и смартфонам. Поскольку в настоящее время разрабатываются устройства, которые могут быть меньше, но требуют и работают с большой мощностью и обеспечивают более высокое качество, литий-ионный аккумулятор идеально подходит для этого. Это дает аккумулятору высокую мощность при сохранении относительно небольшого размера. Компактный размер делает Li-Polymer аккумулятор хорошим выбором в мобильной индустрии.

Рабочее напряжение

Первый и главный фактор – низкий саморазряд. Производительность аккумуляторных батарей определяется скоростью их саморазряда. После отключения от источника питания литий-ионные аккумуляторы имеют очень низкую скорость саморазряда по сравнению с другими перезаряжаемыми элементами, такими как Ni-Cad и NiMH. Это в основном 5% в первые 4 часа, затем падает до 1 или 2% в месяц. Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокий цикл зарядки-разрядки, где некоторые средние классы имеют 1000 циклов, которые имеют 5000 циклов, прежде чем потерять от 20 до 30% своей максимальной зарядной емкости.

Рабочая температура

Важно отличать температуру эксплуатации от той, при которой аккумулятор можно просто заряжать. Разница достигает 30-40 градусов. Оптимальная температура эксплуатации – 60 градусов, зарядки – до 90.

Количество циклов заряд-разряд

Литий-ионные аккумуляторы имеют более длительный срок службы и продолжают обеспечивать лучшую производительность в течение длительного периода времени. Поскольку циклы зарядки-разрядки литий-ионных батарей высоки, они способны показывать лучшую производительность после 5000 циклов, в то время как некоторые другие батареи теряют 30% своей емкости после 1000 циклов. Эти батареи можно регулярно заряжать, не влияя на их мощность. Литий-полимерный аккумулятор имеет главное отличие от ионного – долгосрочность.

Срок службы батареи

Литий-ионные аккумуляторы имеют срок службы в 10 раз больше, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и обеспечивают 2000% номинальной емкости после 2000 циклов (ровно столько, на сколько рассчитан сам электроэлемент). Поскольку эти батареи не требуют активного обслуживания, одноразовая покупка гарантирует долговечность.

Отличие Li-pol от Li-ion аккумуляторов

И литий-ионные, и литий-полимерные аккумуляторы имеют свои плюсы и минусы. Как правило, преимуществами литий-ионных батарей являются их высокая удельная мощность, отсутствие так называемого эффекта памяти (когда батареи со временем становятся сложнее заряжать) и их значительно более низкая стоимость, чем у литий-полимерного. По словам Wired , «Литий-ионные аккумуляторы невероятно эффективны. Они упаковывают невероятное количество энергии в крошечную упаковку ». Сравнение аккумуляторов будет рассмотрено более подробно ниже.

Но, как кто-то мог заметить, с недавней историей о запрете на полеты определенной марки мобильных телефонов, литий-ионные аккумуляторы по своей природе нестабильны, страдают от “старения” и потенциально опасны. Если барьер, разделяющий положительный и отрицательный электрод, когда-либо нарушается, химическая реакция может вызвать возгорание (пожар).

Поскольку литий-ионные аккумуляторы становятся все более популярными в бытовой электронике, предприятия пытаются снизить затраты, что и объясняет различия. Хотя качественные батареи абсолютно безопасны, вы всегда должны быть осторожны при покупке безымянных брендов. Даже батареи с одинаковыми показателями будут отличаться.

С другой стороны, литий-полимерные батареи, как правило, прочные и гибкие , особенно когда речь идет о размерах и форме их конструкции. Они также легки, имеют чрезвычайно низкий профиль и имеют меньшую вероятность страдания от утечки электролита . Но литий-полимерные батареи тоже не идеальны : их производство значительно дороже, и они не имеют такой же плотности энергии (количества энергии, которое может быть сохранено) и срока службы литий-ионных.

Себестоимость

Литий-ионный аккумулятор дорог в изготовлении, что буквально увеличивает его стоимость. Производство на 35% дороже никель-кадмиевых элементов. Поскольку спрос увеличивается, стоимость для потребителей увеличивается, что, кажется, является главной проблемой. Эта батарея требует сложной схемы бортового компьютера для управления и обеспечения того, чтобы напряжение и ток находились в безопасных пределах. Эта схема также является причиной, которая делает его более дорогим, чем другие аккумуляторы.

Надежность и безопасность

Требуется защита. Литий-ионный аккумулятор не такой прочный, как некоторые другие типы аккумуляторов. Они требуют защиты от перезарядки и разрядки слишком далеко, поскольку они встроены в печатную плату. Поскольку большая часть оборудования и приложений предпочитает использовать эти батареи, люди используют их, не зная их безопасных рабочих пределов и схем.

Температурный режим работы

Оптимальная рабочая температура – около +20 °С. Лучшая температура для хранения Li-Ion аккумуляторов – от 0 до 10 °С, с частичным зарядом. Рекомендуемая температура зарядки литий-ионных батарей – от +5 до +20 °C.

Литий-полимерный аккумулятор: плюсы и минусы

Литий-ионные аккумуляторы легче по сравнению с другими перезаряжаемыми аккумуляторами. Что делает их более эффективными для использования в портативных электронных устройствах.

Плюсы:

• Низкие эксплуатационные расходы. Низкие эксплуатационные расходы являются одним из основных преимуществ литий-ионных аккумуляторов. Он не требует регулярного технического обслуживания для лучшей производительности, в отличие от других аккумуляторных батарей, которые требуют регулярной разрядки для поддержания оптимальной производительности. Другие аккумуляторные батареи требуют периодической разрядки, чтобы убедиться, что они не получили эффект памяти.
• Без заливки. Большинство аккумуляторов или элементов необходимо заряжать при первой зарядке. Заправка – это метод полной зарядки и полной разрядки аккумулятора перед его использованием. Таким образом, литий-ионная батарея экономит значительное время и не требует зарядки и разрядки, прежде чем ее можно будет реально использовать.
• Наличие разных типов. На рынке доступны различные типы литий-ионных батарей, некоторые с цилиндрической, а некоторые с призматической формой. Это дает преимущество выбора конкретного типа батареи для конкретного устройства, что означает, что правильная технология может быть использована для конкретного необходимого приложения. Не только для небольших устройств и приложений, но также предлагает гораздо более высокие уровни тока для электромобилей и электроинструментов.

Литий-ионные аккумуляторы сохраняют заряд в течение более длительного периода времени из-за своего свойства высоких циклов зарядки-разрядки, снижающих потребление энергии и стоимость.

Минусы

• Старение. Основным недостатком литий-ионной батареи является ее старение, и оно зависит от количества циклов зарядки-разрядки, которые прошла батарея. Эта батарея, естественно, разлагается, как только она приобретается, независимо от того, используют ее потребители или нет. Поскольку литий-ионная технология растет и развивается,но замена батареи является обязательной после определенного периода времени. Это делает большую проблему, если батарея встроена в оборудование.
• Транспорт. Существуют ограничения по весу литий-ионных аккумуляторов при транспортировке. Во многих авиалиниях существует ограничение на количество литий-ионных батарей, перевозимых в багаже, положение безопасности может время от времени меняться. Любые литий-ионные батареи, перевозимые отдельно, должны быть защищены от коротких замыканий защитными крышками и т. д.

Неправильное использование оборудования может привести к перегреву, что, в свою очередь, может вызвать внутреннее короткое замыкание и воспламенить горючий электролит, что приведет к взрывам и пожарам. Это увеличивает риск внутренних травм и ущерба для пользователей и отраслей промышленности, так как большинство продуктов являются портативными, а также используются на более крупных заводах.

Особенности эксплуатации литий- полимерных батарей

Литий-ионная батарея является предпочтительной и самой передовой для использования в текущей ситуации, поскольку она существует уже много лет. Это может быть недостатком, поскольку технология быстро меняется и развивается, что может быть проблемой для батареи, чтобы оправдать ожидания. Как мы знаем, некоторые инциденты все еще ставят под сомнение его выполнимость и эффективность, например, у Samsung Note 7 были проблемы наряду с проблемами безопасности.

Основным недостатком литий-ионных аккумуляторов является перегрев и подверженность пожару. Было много случаев взрыва при перегреве или перезарядке из-за накопления газов и повышения внутреннего давления в результате разложения электролита.

С каждым годом технология совершенствуется и улучшается, а значит, в скором времени станет в один ряд с литий-ионными батареями и другими аналогами.

Источник