Литиево-полимерными аккумуляторами оснащаются практически все современные электронные гаджеты. Широкое применение они нашли на летающих радиоуправляемых моделях, квадрокоптерах, вертолетах и самолетах. У литий-полимерных аккумуляторов есть немало преимуществ, в том числе - высокая плотность энергии, низкий саморазряд и отсутствие так называемого «эффекта памяти».

В результате для моделей с силовыми электроагрегатами Li Pol батарее практически не существует достойной альтернативы. Следует ожидать, что они будут применяться все более широко, особенно в таких областях, как непилотируемые летательные аппараты, электромобили и т.п.

Несмотря на все преимущества, LiPol батареи имеют репутацию капризных, опасных и маложивущих источников питания. На самом деле, эти недостатки несколько преувеличены. Если их правильно использовать, проблемы будут сведены к минимуму.

Правила зарядки

Для того чтобы в эксплуатации источника питания не возникало проблем, необходимо правильно заряжать LiPo батареи. В противном случае велик риск их повреждения и даже самовозгорания. Рассмотрим, как правильно зарядить литий полимерный аккумулятор , чтобы избежать возможных проблем:

• Зарядить LiPo аккумулятор любым ЗУ не получится, для этого требуются специальные зарядные устройства. Связано это с особенностями двухфазного процесса зарядки.

• Зарядка аккумуляторов Li Pol проходит в две фазы (метод CC-CV). На первой стадии напряжение на всех банках АКБ возрастает. К окончанию фазы оно достигает 4,2 Вольт. По сути, к этому моменту зарядка Li Pol аккумуляторов достигает 95%. Дальше начинается вторая фаза. Для недопущения перезаряда, губительного для литий-полимерной АКБ, ток снижается. В случае превышения напряжения более 4,25 Вольт увеличивается риск самовозгорания.
• Не рекомендуется допускать полной разрядки источника питания, перед повторной зарядкой в нем должно оставаться около 10-20%, иначе он быстро выйдет из строя.
• Важно следить, чтобы напряжение не падало ниже 3 Вольт на каждой банке. При таком снижении показателей напряжения велик риск того, что батарея может вздуться. При этом вздувшийся LiPo аккумулятор потеряет более 50% своей емкости. Если вздулась LiPo батарея, ее останется только выбросить - потеря емкости необратима.

То, что литий-полимерные источники питания вздуваются, является одной из серьезных проблем их эксплуатации. Все банки должны заряжаться и разряжаться равномерно. При этом зарядное устройство для литий полимерных батарей отслеживает только суммарное напряжение, но при большом разбросе показателей вероятность того, что LiPo аккумулятор вздулся увеличивается в разы. Также это приводит к перезаряду отдельных банок, увеличению риска самовозгорания.

Для решения этой проблемы зарядку Li Pol батарей необходимо выполнять с использованием балансира, который способен отслеживать напряжение на каждой банке, либо ЗУ со встроенным балансиром. Не заряжайте источник питания ЗУ с таймером. Если ток будет недостаточным, ЗУ отключится, не зарядив его полностью. Ток заряда не должен превышать 1С и быть меньше 0,5 С. Также нужно помнить, что чем больше емкость LiPo аккумулятора, тем дольше он будет заряжаться.

Эксплуатация

Для того чтобы продлить срок службы Li Pol устройств или, как минимум, не сократить его, важна и правильная эксплуатация аккумуляторов. Когда мы заряжаем источник питания, нельзя допускать его нагрева выше 60 градусов. Если нагрев все же произошел, прежде чем использовать батарею, ей нужно дать остыть. Также нельзя и ставить на зарядку перегревшийся накопитель.

На хранение нельзя оставлять полностью разряженную АКБ. Обязательно зарядите ее. Самые оптимальные показатели - 60%. В целом, при соблюдении этих несложных правил, проблем с использованием литий-полимерных батарей не возникает.

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.

Технологии производства аккумуляторов не стоят на месте и постепенно Ni-Cd (никель-кадмиевые) и Ni-MH (никель-металл-гидридные) аккумуляторы вытесняются на рынке аккумуляторами, в основе производства которых используются литиевые технологии. Литий-полимерные (Li-Po) и литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы всё чаще используются в различных электронных устройствах в качестве источника тока

Литий - серебристо-белый, мягкий и пластичный металл, твёрже натрия, но мягче свинца. Литий — самый легкий металл в мире! Его плотность составляет 0,543 г/см 3 . Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой. Месторождения лития имеются в России, Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве и Конго

Экскурс в историю

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения.

Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом с плотностью энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно в несколько раз превышает плотность стандартных NiCd и NiMH аккумуляторов. Благодаря применению новых активных материалов это превосходство ежегодно увеличивается. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично никелевым аккумуляторам (форма их разрядных характеристик похожа и отличается лишь напряжением).

На сегодня существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных (Li-Po) аккумуляторов.

Li-ion аккумулятор всем был хорош, но проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость привели учёных к созданию литий-полимерного аккумулятора (Li-pol или Li-po).

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, 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, благодаря чему они имеют гибкую пластиковую оболочку, имеют меньший вес, большую токоотдачу и могут быть использованы в качестве силовых аккумуляторов для устройств с мощными электродвигателями.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется более высокой безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. Минимальная толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Основные преимущества

• Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости никелевые (NiCd и Ni-MH) аккумуляторы
• Низкий саморазряд
• Высокое напряжение единичного элемента (3.6-3.7V против 1.2V-1.4 у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители применяют в различных компактных электронных устройствах (сотовые телефоны, коммуникаторы, навигаторы и пр.) именно такой одноэлементный аккумулятор
• Толщина элементов от 1 мм
• Возможность получать очень гибкие формы

Недостатки

• Аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется и просто лежит на полке. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Часы начинают тикать с того момента, как аккумуляторы произвели на заводе, и снижение емкости является результатом повышения внутреннего сопротивления, которое в свою очередь порождается окислением электролита. В итоге внутреннее сопротивление достигнет такого уровня, когда аккумулятор больше не сможет отдавать накопленную энергию, хотя ее в аккумуляторе будет достаточно.Через два или три года он часто становится непригодным к использованию.
• Более высокая стоимость по сравнению с NiCd и Ni-MH аккумуляторами
• При использовании литий-полимерных аккумуляторов, всегда есть риск их воспламенения, которое может случиться вследствие замыкания контактов, от неправильной зарядки, или механического повреждения аккумулятора. Так как температура горения лития очень высока (несколько тысяч градусов), то он может воспламенить рядом стоящие предметы и вызвать пожар.

Основные характеристики Li-Po аккумуляторов

Как было сказано выше, литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd и Ni-MH аккумуляторы в несколько раз. Срок службы современных Li-Po аккумуляторов, как правило, не превышает 400-500 циклов заряд-разряд. Для сравнения, срок службы современных Ni-MH аккумуляторов с низким саморазрядом составляет 1000-1500 циклов.

Технологии производства литиевых аккумуляторов не стоят на месте и названные выше цифры в любой момент могут потерять актуальность, т.к. производители аккумуляторов с каждым месяцем наращивают их характеристики за счёт внедрения новых технологических процессов их производства.

Из всего многообразия литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы - быстро-разрядные (Hi Discharge) и обычные . Отличаются они между собой максимальным разрядным током — его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой буквой «С».

Области применения Li-Po аккумуляторов

Применение Li-Po аккумуляторов позволяет решить две важные задачи — увеличить время работы устройств и снизить вес батареи

Обычные Li-Po аккумуляторы применяются в качестве источников питания в электронных устройствах с относительно небольшим токопотреблением (мобильные телефоны, коммуникаторы, ноутбуки и т.д.).

Быстро-разрядные литий-полимерные аккумуляторы часто называют «силовыми » — такие аккумуляторы применяются для питания устройств с высоким токопотреблением. Ярким примером применения «силовых» Li-Po аккумуляторов являются радиоуправляемые модели с электродвигателями и современные гибридные автомобили. Именно в этом сегменте рынка происходит основная конкурентная борьба различных производителей Li-Po аккумуляторов.

Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают никелевым — это область супервысоких (40-50С) разрядных токов. По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH. Но в этом сегменте рынка уже появились конкуренты — (Li-Fe), технология производства которых развивается с каждым днём.

Зарядка Li-Po аккумуляторов

Заряд большинства Li-Po аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму — от источника постоянного напряжения 4.20V/элемент с ограничением тока в 1С (некоторые модели современных силовых Li-Po аккумуляторов позволяют заряжать их током в 5С). Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. До перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1C аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 1-2 часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда — не хужу 0,01 V/банку.
Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить два основных типа - простые, не «компьютерные» зарядники в ценовой категории 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные зарядные устройства в ценовой категории 80-400$, предназначенные для обслуживания различных типов аккумуляторов.

Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками или путём подключения аккумулятора к различным разъемам на зарядном устройстве. Достоинство таких зарядных устройств — низкая цена. Главный недостаток — некоторые из таких устройств не умеет правильно определять окончание заряда. Они определяют лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости.

У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток, и емкость в мАч, которую аккумулятор «принял» в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор. При использовании зарядного устройства самое главное — правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда, который, как правило, равен 1C.

Эксплуатация Li-Po аккумуляторов и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» из существующих, т.е. требуют обязательного соблюдения нескольких несложных правил. Перечислим их в порядке убывания опасности:

1. Перезаряд аккумулятора — заряд до напряжения, превышающего 4.20V на банку
2. Короткое замыкание аккумулятора
3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или приводящим к нагреву Li-Po аккумулятора cвыше 60°С
4. Разряд ниже напряжения 3V на банку
5. Нагрев аккумулятора выше 60ºС
6. Разгерметизация аккумулятора
7. Хранение в разряженном состоянии

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, всех остальных — к полной или частичной потере емкости

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

• Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок
• Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи и контролировать ток, потребляемый устройством, в котором установлен Li-Po аккумулятор
• Необходимо быть уверенным, что ваше электронное устройство,в котором установлен аккумулятор не перегревается. При +70ºС в аккумуляторе начинает идти «цепная реакция», превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть
• Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно «умрет» из-за переразряда
• Следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте его после работы
• Разгерметизация — так же причина выхода литиевых аккумуляторов из строя. Внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки) в результате удара, или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод — не ронять с большой высоты и паять аккуратно
• Хранить аккумуляторы, судя по рекомендациям производителей, следует в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температуре не выше 30°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы. Как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Сборка Li-Po батарей

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква Р (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, a S (serial) — последовательно. Например, «Kokam 1500 3S2P» обозначает батарею, соединенную последовательно из трех пар аккумуляторов, и каждая пара образована двумя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500 мАч, т.е. емкость батареи будет 3000 мАч (при соединении параллельно емкость возрастает), а напряжение — 3,7V х 3=11,1V.

Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в батарею нужно уравнять их потенциалы, особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую и зарядный ток может превысить значение 1C. Желательно, все купленные банки перед соединением разрядить до 3V током около 0.1- 0.2С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0.5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.

Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом, так как многие фирмы, собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.

Из-за падения емкости в результате эксплуатации ни в коем случае нельзя добавлять новые банки последовательно старым — батарея будет при этом разбалансирована.

Конечно, также нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей — например 1800 и 2000 мАч, а также использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей, поскольку различное внутренне сопротивление приведет к разбалансировке батареи.

При пайке следует соблюдать аккуратность, нельзя допускать перегрева выводов — это может нарушить герметизацию и навсегда «убить» еще не поработавший аккумулятор. Некоторые Li-Po аккумуляторы поставляются с уже припаянными к выводам кусочками текстолитовой печатной платы для удобства распайки проводов. При этом добавляется лишний вес — около 1 г на элемент, зато греть места для припайки проводов можно гораздо дольше — стеклотекстолит плохо проводит тепло. Провода с разъемами следует закрепить на корпусе батареи, хотя бы скотчем, чтобы случайно не оторвать их при многократном подключении к зарядному устройству

Нюансы применения Li-Po аккумуляторов

Приведу еще несколько полезных примеров, вытекающих из ранее сказанного, но неочевидных на первый взгляд …

В течение долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными — какие-то банки «стареют» раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее. Отсюда вытекает следующее правило — необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи .

В случае обнаружения в сборке аккумулятора, ёмкость которого отличается от других элементов более, чем на 15-20%, рекомендуется отказаться от использования всей сборки, или из оставшихся аккумуляторов спаять батарею с меньшим количеством элементов.

Современные зарядные устройства имеют встроенные балансиры (balancer), которые позволяют заряжать все элементы в батареи отдельно под чётким контролем. Если зарядное устройство не оборудовано балансиром, то его необходимо приобрести отдельно и заряд аккумуляторов желательно производить с его использованием.

Внешний балансир — это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4.17-4.19V. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4.17V балансир замыкает часть тока «на себя», не позволяя напряжению превысить критический порог.

Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством определения «плохих» элементов в батарее.

Вышесказанное относится к батареям, составленных из трех элементов и более, для двух-баночных батарей балансиры, как правило, не применяют

По многочисленным отзывам, разряд литиевых аккумуляторов до напрряжения 2.7- 2.8V более губительно сказывается на емкости, чем, например перезаряд до напряжения 4.4V. Особенно вредно хранить батарею в переразряженном состоянии.

Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50°С (при 0°С сохраненяется 80% емкости аккумулятора). Но тем не менее, использовать Li-Po аккумуляторы при отрицательных температурах, около-10…-15°С, можно. Дело в том, что не нужно перед использованием морозить батарею — положите ее в карман, где тепло. А в процессе использования внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.

Заключение

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литиевыми технологиями накопления энергии, если их не догонят топливные элементы. Поживем - увидим…

В статье использованы материалы статей Сергея Потупчика и Владимира Васильева

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.

Литий-полимерные аккумуляторы представляют усовершенствованную конструкцию известных во всем мире литий-ионных батарей. Планируется, что именно эти устройства в скором времени полностью вытеснят с рынка никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы . Литий-полимерные элементы все чаще применяются в самых разных электронных устройствах в виде источника питания. Они при одинаковом весе по энергетической емкости в несколько раз превосходят никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые конструкции.

Потенциально литий-полимерные элементы будут стоить дешевле литий-ионных аккумуляторов. Однако на данный момент он все еще являются довольно дорогими. На данный момент их производством занимаются лишь несколько крупных фирм. По конструктивному исполнению они похожи на литий-ионные элементы, но в них применяется гелиевый электролит. В результате они выделяются малым током разряда, значительной энергетической плотностью и существенным числом циклов зарядов и разрядов. Их форма может быть самой разной, а сами они выделяются легким весом и компактностью.

Виды

На текущий момент литий-полимерные аккумуляторымогут быть нескольких видов, которые отличаются по структуре электролита:

• Элементы, имеющие гелеобразный гомогенный электролит , который создается внедрением в состав полимерных солей лития.
• Элементы, имеющие сухой полимерный электролит . Данный вид производится на основе полиэтиленоксида с использованием разнообразных солей лития.
• Имеющие электролит из полимерной матрицы , имеющую микропористую структуру. В нем имеются неводные составляющие солей лития.

В связи с тем, что в полимерном элементе применяется жидкий электролит, то их эксплуатационная безопасность на порядок выше. К тому же они могут изготавливаться различной формы и конфигурации.

Некоторые литий-полимерные элементы выполняются из металлического полимера. Однако при низкой температуре параметры подобных батарей существенно снижаются вследствие кристаллизации полимера.

Существуют разработки полимерных батарей, где применяется металлический анод. Некоторым компаниям удалось получить существенного расширения рабочего температурного интервала и плотности тока. Подобные разновидности батарей можно применять в разной бытовой технике и электронике.

При этом разные производители используют различные материалы электродов, структуру электролита и сборочную технологию. В результате выпускаемые батареи могут иметь совершенно разные параметры. Но все компании, выпускающие подобные аккумуляторы, отмечают, что стабильность функционирования литий-полимерных батарей обеспечивает однородность электролита из полимера. Это в свою очередь зависит от количества компонентов, а также температуры полимеризации.

Уже выпускаются варианты батарей, имеющих толщину всего в 1 миллиметр. Благодаря этому производители могут выпускать очень компактные мобильные устройства.

Также литий-полимерные аккумуляторы, которые имеются в продаже, делятся на:

• Обычные.
• Быстро-разрядные.

Устройство

Литий-полимерные аккумуляторы работают по принципу перемещения ряда полимерных элементов в полупроводниковые вещества при условии включения в них ионов электролита. В итоге происходит существенное возрастание проводимости. По устройству указанные батареи выделяются электролитическим составом.

Суть полимерной технологии заключается в том, что электролит наносится на пленку из пластмассы. Она не позволяет проводить электричество, однако дает возможность обмениваться ионами. Другими словами, электролит из полимера заменяет стандартный пористый сепаратор, пропитанный жидким электролитом. Благодаря сухой полимерной конструкции удается обеспечить минимальную толщину ячейки порядка 1 мм, безопасность применения и простоту производства. Благодаря такой конструкции у разработчиков появляется возможность внедрять такие батареи в обувь, одежду, миниатюрное оборудование и иные устройства.

Но сухая полимерная батарея имеет недостатки в виде снижения проводимости и внутреннего сопротивления полимеров, что неприемлемо для ряда мощных мобильных устройств. Чтобы небольшая полимерная батарея была более продвинутой, к электролиту добавляют некоторый процент гелевых элементов. Большая часть коммерческих аккумуляторов, применяемых на данный момент в сотовых телефонах, являются гибридами полимера и геля. Гибридные аккумуляторы на данный момент являются самыми популярными.

Принцип действия

Литий-полимерные аккумуляторы имеют принцип действия, схожий с литий-ионными элементами, то есть они работают на обратимости химической реакции. Здесь анодом выступает материал из углерода, куда внедряются ионы лития. В катоде применяются оксиды ванадия, марганца либо кобальта. Работа такой батареи основана на способности полимеров переходить в полупроводниковое состояние вследствие включения в них электролитических ионов.

В качестве химической основы электролита здесь по-прежнему применяются соли лития. Однако они располагаются в соответствующей полимерной прокладке, которая находится между катодом и анодом. Благодаря этому литий-полимерные батареи могут быть выполнены в любой произвольной форме. Их можно размещать в различные недоступные места, что открывает новые возможности для производителей электроники.

Применение

Литий-полимерные аккумуляторы находят все более широкое применение. Такие батареи позволяют значительно повысить время эксплуатации работы устройства при уменьшенном весе аккумулятора. Благодаря этому можно получить энергоноситель, который будет в несколько раз большую емкость. При использовании быстроразрядных батарей будет обеспечиваться еще большая производительность. Поэтому подобные аккумуляторы становятся прекрасным вариантом для управляемых по радио моделей самолетиков и вертолетиков, в том числе иных радиоуправляемых устройств.

Применение Li-Pol аккумуляторов дает возможность уменьшить вес батареи и увеличить период работы устройств. Литий-полимерные батареи прекрасно продемонстрировали себя при применении в вертолетах маленького размера, к примеру, Piccolo. Такие устройства способны летать на таких батареях в течение 30 минут и более. Указанные элементы являются хорошим вариантом для небольших летающих конструкций.

Типичные литий-полимерные аккумуляторы используются в качестве источников питания, которые необходимы для электронных устройств, потребляющих сравнительно небольшой ток. Это могут быть ноутбуки, смартфоны и так далее. Быстроразрядные батареи применяются в устройствах, где необходимо высокое токопотребление. Подобные батареи применяются в современных , портативных электрических инструментах и радиоуправляемых устройствах.

Ограничения применения

Эти батареи в будущем можно будет повсеместно использовать в автомобильной промышленности. Сегодня же их используют для создания новых технологий и испытаний электромобилей. Вместе с тем существуют определенные ограничения, которые препятствуют использованию этих батарей повсеместно.

• Литий-полимерные батареи требуют специального режима зарядки. В принципе это не сложно, но привычное применять для этого нельзя. Вызвано это тем, что они выделяются пожароопасностью в период переразрядки. Для борьбы с этим явлением, все подобные батареи имеют электронную систему, которые предотвращают переразрядку и перегревание.
• Если неправильно эксплуатировать литий-полимерную батарею, то это может вызвать возгорание.
• Литий-полимерный аккумулятор не стоит сразу эксплуатировать непосредственно после зарядки. Для начала его следует охладить до окружающей температуры. В противном случае батарея может выйти из строя.
• Недопустимо короткое замыкание.
• Не допускается разгерметизация аккумулятора.
• Разряд батареи ниже 3 вольт.
• Нельзя нагревать выше 60 градусов.
• Аккумуляторы не следует подвергать воздействию микроволн либо давления. Это способно привести к появлению дыма, огня и более серьезным последствиям.
• Нужно оберегать батарею от нарушения целостности и ударов. Сильное механическое воздействие может привести к нарушению внутренней структуры.

Однако указанные минусы не мешают их использовать в самых разнообразных областях. В будущем все эти недостатки будут нивелированы внедрением новых технологий и разработок.

Преимущества литий-полимерных батарей

• Довольно высокая энергоплотность.
• Небольшой параметр саморазряда.
• Отсутствует эффект памяти.
• Литий-полимерные аккумуляторы несколько превосходят литиевые аналоги по емкости батареи и длительности ее использования.
• Изготовления батарей толщиной всего один миллиметр.
• Применения в довольно широком температурном диапазоне: от минус 20 до плюс 40 градусов Цельсия.
• Возможность придания батарее различной формы.
• Небольшое падение напряжения при разряде.