1. Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори Інженерна думка безперервно розвивається: її стимулюють...
2. Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори
3. ПОСИЛАННЯ
4. Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори
5. ПОСИЛАННЯ

Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори

Інженерна думка безперервно розвивається: її стимулюють постійно виникають проблеми, що вимагають для свого рішення розробки нових технологій. Свого часу на зміну нікель-кадмієвих (NiCd) акумуляторів прийшли нікель-металгідридні (NiMH), а зараз місце літій-іонних (Li-ion) намагаються зайняти літій-полімерні (Li-pol) акумулятори. NiMH акумулятори в якійсь мірі потіснили NiCd, але в силу таких незаперечних переваг останніх, як здатність віддавати великий струм, низька вартість і тривалий термін служби, не змогли забезпечити їх повноцінної заміни. А ось як справи з літієвими акумуляторами? Які їх особливості і чим відрізняються Li-pol акумулятори від Li-ion? Спробуємо розібратися в цьому питанні.

Як правило, всі ми при покупці мобільника або портативного комп'ютера не замислюємося про те, який акумулятор у них всередині і чим взагалі розрізняються ці пристрої. І тільки потім, зіткнувшись на практиці з споживчими якостями тих чи інших акумуляторів, починаємо аналізувати і вибирати. Тим, хто поспішає і бажає відразу отримати відповідь на питання, який акумулятор є оптимальним для стільникового телефону, я відповім коротко - Li-ion. Подальша інформація призначена для допитливих.

Для початку невеликий екскурс в історію.

Перші експерименти по створенню літієвих батарей почалися в 1912 році, але тільки через шість десятиліть, на початку 70-х років, вони вперше були впроваджені в побутові пристрої. Причому, підкреслю, це були саме батареї. Пішли слідом за цим спроби розробити літієві акумулятори (батарейки з можливiстю перезарядки) виявилися невдалими через проблеми, пов'язаних із забезпеченням безпеки їх експлуатації. Літій, найлегший зі всіх металів, має найбільший електрохімічний потенціал і забезпечує найбільшу щільність енергії. Акумулятори, що використовують літієві металеві електроди, характеризуються і високою напругою, і чудовою ємністю. Але в результаті численних досліджень в 80-х роках було з'ясовано, що циклічна робота (заряд - розряд) літієвих акумуляторів призводить до змін на літієвому електроді, в результаті яких зменшується теплова стабільність і з'являється загроза виходу теплового стану з-під контролю. Коли це відбувається, температура елемента швидко наближається до точки плавлення літію - і починається бурхлива реакція з займанням газів, що виділяються. Так, наприклад, велика кількість літієвих акумуляторів для мобільних телефонів, поставлених в Японію в 1991 році, було відкликано після декількох випадків їх займання.

Через властивою літію нестійкості дослідники звернули свій погляд у бік неметалічних літієвих акумуляторів на основі іонів літію. Трохи програвши при цьому в щільності енергії і прийнявши деякі запобіжні заходи при заряді і розряді, вони отримали більш безпечні так звані Li-ion акумулятори.

Щільність енергії Li-ion акумуляторів зазвичай удвічі перевищує щільність стандартних NiCd [ 1 ], А в перспективі, завдяки застосуванню нових активних матеріалів, передбачається ще більше збільшити її і досягти триразового переваги над NiCd. На додаток до великої ємності Li-ion акумулятор при розряді поводиться аналогічно NiCd (форма їх розрядних характеристик подібна і відрізняється лише напругою).

На сьогоднішній момент існує безліч різновидів Li-ion акумуляторів, причому можна довго говорити про переваги і недоліки того чи іншого типу, але відрізнити їх за зовнішнім виглядом неможливо. Тому відзначимо лише ті переваги і недоліки, які властиві всім типам цих пристроїв, і розглянемо причини, що викликали появу на світ літій-полімерних акумуляторів.

Основні переваги.

• Висока щільність енергії і як наслідок велика ємність при тих же самих габаритах в порівнянні з акумуляторами на основі нікелю.
• Низький саморозряд.
• Висока напруга одиничного елемента (3.6 В проти 1.2 В у NiCd і NiMH), що спрощує конструкцію - часто акумулятор складається тільки з одного елемента. Багато виробників сьогодні застосовують в стільникових телефонів саме такий одноелементний акумулятор (згадайте Nokia). Однак, щоб забезпечити ту ж саму потужність, необхідно віддати більш високий струм. А це вимагає забезпечення низького внутрішнього опору елемента.
• Низька вартість обслуговування (експлуатаційних витрат) - результат відсутності ефекту пам'яті, що вимагає періодичних циклів розряду для відновлення ємності.

Недоліки.

• Для акумулятора потрібно вбудована схема захисту (що веде до додаткового підвищення його вартості), яка обмежує максимальну напругу на кожному елементі акумулятора під час заряду і оберігає напруга елемента від занадто низького зниження при розряді. Крім того, вона обмежує максимальні струми заряду, розряду і контролює температуру елемента. В результаті можливість металізації літію практично виключена.
• Акумулятор схильний до старіння, навіть якщо не використовується і просто лежить на полиці. Процес старіння характерний для більшості Li-ion акумуляторів. З цілком зрозумілих причин виробники про цю проблему замовчують. Незначне зменшення ємності стає помітним вже через рік незалежно від того, перебував акумулятор в експлуатації чи ні. Через два або три роки він часто стає непридатним до використання. Втім, акумулятори інших електрохімічних систем також мають вікові зміни з погіршенням своїх параметрів (це особливо справедливо для NiMH, схильних до впливу високої температури навколишнього середовища). Для зменшення процесу старіння зберігайте заряджений приблизно до 40% від номінальної ємності акумулятор в прохолодному місці окремо від телефону.
• Більш висока вартість у порівнянні з NiCd акумуляторами.
• Ускладнено швидке тестування [ 1 ] Акумуляторів (наприклад, на аналізаторі Cadex C7xxx), оскільки технологія їх виготовлення до кінця ще не відпрацьована і постійно змінюється.

Технологія виготовлення Li-ion акумуляторів постійно поліпшується. Вона оновлюється приблизно кожні шість місяців, і зрозуміти, як «поводяться» нові акумулятори після тривалого зберігання, важко.

Словом, усім був би Li-ion акумулятор хороший, якби не проблеми із забезпеченням безпеки його експлуатації і висока вартість. Спроби вирішення цих проблем і привели до появи літій-полімерних (Li-pol або Li-polymer) акумуляторів.

Основна їхня відмінність від Li-ion відображено в назві і полягає в типі використовуваного електроліту. Спочатку, в 70-х роках, застосовувався сухий твердий полімерний електроліт, схожий на пластикову плівку і не проводить електричний струм, але допускає обмін іонами (електрично зарядженими атомами або групами атомів). Полімерний електроліт фактично замінює традиційний пористий сепаратор, просочений електролітом.

Така конструкція спрощує процес виробництва, характеризується більшою безпекою і дозволяє випускати тонкі акумулятори довільної форми. До того ж відсутність рідкого або гелевого електроліту виключає можливість займання. Товщина елемента становить близько одного міліметра, так що розробники обладнання вільні у виборі форми, обрисів і розмірів, аж до впровадження його у фрагменти одягу.

Але поки, на жаль, сухі Li-polymer акумулятори володіють недостатньою електропровідністю при кімнатній температурі. Внутрішній опір їх занадто високо і не може забезпечити величину струму, необхідну для сучасних засобів зв'язку та електроживлення жорстких дисків переносних комп'ютерів. У той же час при нагріванні до 60 ° C і більше електропровідність Li-polymer збільшується до прийнятного рівня, однак для масового використання це не годиться.

Дослідники продовжують розробку Li-polymer акумуляторів з сухим твердим електролітом, які працюють при кімнатній температурі. Подібні акумулятори, як очікується, стануть комерційно доступними до 2005 року. Вони будуть стабільними, допускати 1000 повних циклів заряду-розряду і мати більш високу щільність енергії, ніж сьогоднішні Li-ion акумулятори

Тим часом деякі види Li-polymer акумуляторів в даний час використовуються в якості резервних джерел живлення в жаркому кліматі. Наприклад, частина виробників спеціально встановлює нагрівають елементи, що підтримують сприятливу для акумулятора температуру.

Ви запитаєте: як же так? На ринку щосили продають Li-polymer акумулятори, виробники комплектують ними телефони і комп'ютери, а ми тут говоримо, що для комерційної експлуатації вони поки не готові. Все дуже просто. В даному випадку мова йде про акумулятор ні з сухим твердим електролітом. Для того щоб підвищити електропровідність невеликих Li-polymer акумуляторів, в них додають деяку кількість гелеобразного електроліту. І більшість Li-polymer акумуляторів, що використовуються сьогодні для мобільних телефонів, фактично є гібридами, оскільки містять гелеобразний електроліт. Правильніше було б їх називати літій-іонними полімерними. Але більшість виробників в рекламних цілях маркують їх просто як Li-polymer. Зупинимося докладніше на цьому типі літій-полімерних акумуляторів, оскільки на даний момент саме вони становлять найбільший інтерес.

Отже, в чому відмінність між Li-ion і Li-polymer акумулятором з добавкою гелеобразного електроліту? Хоча характеристики і ефективність обох систем багато в чому схожі, унікальність Li-ion полімерного (можна його і так назвати) акумулятора полягає в тому, що в ньому все ж використовується твердий електроліт, який замінює пористий сепаратор. Гелевий електроліт додається тільки для збільшення іонної електропровідності.

Технічні труднощі і затримка в нарощуванні обсягів виробництва затримали впровадження Li-ion полімерних акумуляторів. Це викликано, на думку деяких експертів, бажанням інвесторів, що вклали великі гроші в розробку і масове виробництво Li-ion акумуляторів, отримати свої інвестиції назад. Тому вони й не поспішають переходити на нові технології, хоча при масовому виробництві Li-ion полімерні акумулятори будуть дешевше літій-іонних.

А тепер про особливості експлуатації Li-ion і Li-polymer акумуляторів.

Їх основні характеристики дуже схожі. Про заряді Li-ion акумуляторів досить докладно розказано в статті [ 2 ]. На додаток наведу лише графік (Рис.1) з [ 3 ], Який ілюструє стадії заряду, і невеликі пояснення до нього.

Час заряду всіх Li-ion акумуляторів при початковому зарядному струмі в 1С (чисельно рівному номінальному значенню ємності акумулятора) становить в середньому 3 години. Повний заряд досягається при напрузі на акумуляторі, рівному верхньому порогу, і при зменшенні струму заряду до рівня, приблизно рівного 3% від початкового значення. Акумулятор під час заряду залишається холодним. Як видно з графіка, процес заряду складається з двох стадій. На першій (годину з невеликим) напруга зростає при майже постійному початковому струмі заряду в 1С до моменту першого досягнення верхньої межі напруги. До цього моменту акумулятор заряджається приблизно на 70% від своєї ємності. На початку другого етапу напруга залишається майже постійним, а струм зменшується до тих пір, поки не досягне вищевказаних 3%. Після цього заряд повністю припиняється.

Якщо потрібно підтримувати акумулятор весь час в зарядженому стані, то підзаряд рекомендується проводити через 500 годин, або 20 днів. Зазвичай його проводять при зменшенні напруги на висновках акумулятор до 4.05 В і припиняють при досягненні 4.2 В

Кілька слів про температурному діапазоні при заряді. Більшість різновидів Li-ion акумуляторів допускають заряд струмом в 1С при температурі від 5 до 45 ° C. При температурі від 0 до 5 ° C рекомендується заряджати струмом в 0.1 С. Заряд при мінусовій температурі заборонений. Для заряду оптимальна температура від 15 до 25 ° C.

Зарядні процеси в Li-polymer акумуляторах майже ідентичні вищеописаним, тому споживачеві абсолютно ні до чого знати, який з двох типів акумуляторів у нього в руках. І всі ті зарядні пристрої, які він використовував для Li-ion акумуляторів, годяться для Li-polymer.

А тепер про умови розряду. Зазвичай Li-ion акумулятори розряджають до значення 3.0 В на елемент, хоча для деяких різновидів нижній поріг становить 2.5 В. Виробники обладнання з живленням від акумуляторів, як правило, розробляють пристрої з порогом виключення 3.0 В (на всі випадки життя). Що це означає? Напруга на акумуляторі при включеному телефоні поступово зменшується, і як тільки воно досягне 3.0 В, апарат попередить вас і вимкнеться. Однак це зовсім не означає, що він перестав споживати енергію від акумулятора. Енергія, нехай незначна, потрібно для визначення натискання клавіші включення телефону і деяких інших функцій. Крім того, енергію споживає власна внутрішня схема управління і захисту, та й саморазряд, хоч і невеликий, але все ж характерний навіть для акумуляторів на основі літію. В результаті, якщо залишити літієві акумулятори на тривалий термін без підзарядки, напруга на них впаде нижче 2.5 В, що дуже погано. У цьому випадку можливе відключення внутрішньої схеми управління і захисту, і не всі зарядні пристрої зможуть зарядити такі акумулятори. Крім того, глибокий розряд негативно позначається на внутрішній структурі самого акумулятора. Повністю розряджений акумулятор повинен заряджатися на першому етапі струмом всього в 0.1C. Словом, акумулятори швидше люблять перебувати в зарядженому стані, ніж в розрядженому.

Кілька слів про температурних умовах при розряді (читай під час роботи).

Як правило, Li-ion акумулятори найкраще функціонують при кімнатній температурі. Робота в тепліших умовах серйозно скорочує термін їх служби. Хоча, наприклад, свинцево-кислотний акумулятор має найвищу ємність при температурі понад 30 ° C, але тривала експлуатація в таких умовах скорочує життя акумулятора. Точно так само і Li-ion краще працюють при високій температурі, яка спочатку протидіє збільшенню внутрішнього опору акумулятора, що є результатом старіння. Але підвищена енерговіддача коротка, оскільки підвищення температури, в свою чергу, сприяє прискореному старінню, супроводжуваному подальшим збільшенням внутрішнього опору.

Виняток становлять на даний момент тільки літій-полімерні акумулятори з сухим твердим полімерним електролітом. Для них життєво необхідна температура від 60 ° C до 100 ° C. І такі акумулятори зайняли свою нішу на ринку резервних джерел в місцях з жарким кліматом. Вони поміщаються в теплоізольований корпус з вбудованими елементами нагрівання, що харчуються від зовнішньої мережі. Li-ion полімерні акумулятори в якості резервних, як вважають, перевершують по ємності і довговічності VRLA акумулятори, особливо в польових умовах, коли управління температурою неможливо. Але їх висока ціна залишається стримуючим фактором.

При низьких температурах ефективність акумуляторів всіх електрохімічних систем різко падає. У той час як для NiMH, SLA і Li-ion акумуляторів температура -20 ° C є межею, при якому вони припиняють функціонувати, NiCd продовжують працювати до -40 ° C. Зазначу тільки, що мова знову ж таки йде тільки про акумулятор широкого застосування.

Важливо не забувати, що, хоча акумулятор і може працювати при низьких температурах, це зовсім не означає, що він може бути також заряджений в цих умовах. Сприйнятливість до заряду у більшості акумуляторів при дуже низьких температурах надзвичайно обмежена, і струм заряду в цих випадках повинен бути зменшений до 0.1C.

На закінчення хочу відзначити, що задати питання і обговорити проблеми, пов'язані з Li-ion, Li-polymer, а також іншими типами акумуляторів, можна на форумі [ 4 ] В подфоруму з аксесуарів.

При написанні статті використані матеріали [ 3 ], Люб'язно надані паном Isidor Buchmann, засновником і главою канадської компанії Cadex Electronics Inc. [ 5 ].

Більш детальна інформація російською мовою про акумулятор для мобільної техніки зв'язку, комп'ютерів та інших портативних приладів, поради по експлуатації та обслуговуванню приведені в [ 6 ].

ПОСИЛАННЯ

1. Акумулятори для мобільних пристроїв - академія для не інженер.
2. Акумулятори для мобільних пристроїв - методи заряду.
3. http://www.buchmann.ca/ - «Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries for non-engineers »- інтернет-версія книги пана Isidor Buchmann, глави канадської компанії Cadex Electronics Inc.
4. http://forum.rax.ru/vb/forumdisplay.php?forumid=45 - Мобільники і аксесуарів для них.
5. http://www.cadex.com - Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada - розробник і виробник зарядних пристроїв, аналізаторів і систем обслуговування акумуляторів.
6. http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ - Акумулятори для мобільних пристроїв і портативних комп'ютерів. Аналізатори акумуляторів.

Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори

Інженерна думка безперервно розвивається: її стимулюють постійно виникають проблеми, що вимагають для свого рішення розробки нових технологій. Свого часу на зміну нікель-кадмієвих (NiCd) акумуляторів прийшли нікель-металгідридні (NiMH), а зараз місце літій-іонних (Li-ion) намагаються зайняти літій-полімерні (Li-pol) акумулятори. NiMH акумулятори в якійсь мірі потіснили NiCd, але в силу таких незаперечних переваг останніх, як здатність віддавати великий струм, низька вартість і тривалий термін служби, не змогли забезпечити їх повноцінної заміни. А ось як справи з літієвими акумуляторами? Які їх особливості і чим відрізняються Li-pol акумулятори від Li-ion? Спробуємо розібратися в цьому питанні.

Як правило, всі ми при покупці мобільника або портативного комп'ютера не замислюємося про те, який акумулятор у них всередині і чим взагалі розрізняються ці пристрої. І тільки потім, зіткнувшись на практиці з споживчими якостями тих чи інших акумуляторів, починаємо аналізувати і вибирати. Тим, хто поспішає і бажає відразу отримати відповідь на питання, який акумулятор є оптимальним для стільникового телефону, я відповім коротко - Li-ion. Подальша інформація призначена для допитливих.

Для початку невеликий екскурс в історію.

Перші експерименти по створенню літієвих батарей почалися в 1912 році, але тільки через шість десятиліть, на початку 70-х років, вони вперше були впроваджені в побутові пристрої. Причому, підкреслю, це були саме батареї. Пішли слідом за цим спроби розробити літієві акумулятори (батарейки з можливiстю перезарядки) виявилися невдалими через проблеми, пов'язаних із забезпеченням безпеки їх експлуатації. Літій, найлегший зі всіх металів, має найбільший електрохімічний потенціал і забезпечує найбільшу щільність енергії. Акумулятори, що використовують літієві металеві електроди, характеризуються і високою напругою, і чудовою ємністю. Але в результаті численних досліджень в 80-х роках було з'ясовано, що циклічна робота (заряд - розряд) літієвих акумуляторів призводить до змін на літієвому електроді, в результаті яких зменшується теплова стабільність і з'являється загроза виходу теплового стану з-під контролю. Коли це відбувається, температура елемента швидко наближається до точки плавлення літію - і починається бурхлива реакція з займанням газів, що виділяються. Так, наприклад, велика кількість літієвих акумуляторів для мобільних телефонів, поставлених в Японію в 1991 році, було відкликано після декількох випадків їх займання.

Через властивою літію нестійкості дослідники звернули свій погляд у бік неметалічних літієвих акумуляторів на основі іонів літію. Трохи програвши при цьому в щільності енергії і прийнявши деякі запобіжні заходи при заряді і розряді, вони отримали більш безпечні так звані Li-ion акумулятори.

Щільність енергії Li-ion акумуляторів зазвичай удвічі перевищує щільність стандартних NiCd [ 1 ], А в перспективі, завдяки застосуванню нових активних матеріалів, передбачається ще більше збільшити її і досягти триразового переваги над NiCd. На додаток до великої ємності Li-ion акумулятор при розряді поводиться аналогічно NiCd (форма їх розрядних характеристик подібна і відрізняється лише напругою).

На сьогоднішній момент існує безліч різновидів Li-ion акумуляторів, причому можна довго говорити про переваги і недоліки того чи іншого типу, але відрізнити їх за зовнішнім виглядом неможливо. Тому відзначимо лише ті переваги і недоліки, які властиві всім типам цих пристроїв, і розглянемо причини, що викликали появу на світ літій-полімерних акумуляторів.

Основні переваги.

• Висока щільність енергії і як наслідок велика ємність при тих же самих габаритах в порівнянні з акумуляторами на основі нікелю.
• Низький саморозряд.
• Висока напруга одиничного елемента (3.6 В проти 1.2 В у NiCd і NiMH), що спрощує конструкцію - часто акумулятор складається тільки з одного елемента. Багато виробників сьогодні застосовують в стільникових телефонів саме такий одноелементний акумулятор (згадайте Nokia). Однак, щоб забезпечити ту ж саму потужність, необхідно віддати більш високий струм. А це вимагає забезпечення низького внутрішнього опору елемента.
• Низька вартість обслуговування (експлуатаційних витрат) - результат відсутності ефекту пам'яті, що вимагає періодичних циклів розряду для відновлення ємності.

Недоліки.

• Для акумулятора потрібно вбудована схема захисту (що веде до додаткового підвищення його вартості), яка обмежує максимальну напругу на кожному елементі акумулятора під час заряду і оберігає напруга елемента від занадто низького зниження при розряді. Крім того, вона обмежує максимальні струми заряду, розряду і контролює температуру елемента. В результаті можливість металізації літію практично виключена.
• Акумулятор схильний до старіння, навіть якщо не використовується і просто лежить на полиці. Процес старіння характерний для більшості Li-ion акумуляторів. З цілком зрозумілих причин виробники про цю проблему замовчують. Незначне зменшення ємності стає помітним вже через рік незалежно від того, перебував акумулятор в експлуатації чи ні. Через два або три роки він часто стає непридатним до використання. Втім, акумулятори інших електрохімічних систем також мають вікові зміни з погіршенням своїх параметрів (це особливо справедливо для NiMH, схильних до впливу високої температури навколишнього середовища). Для зменшення процесу старіння зберігайте заряджений приблизно до 40% від номінальної ємності акумулятор в прохолодному місці окремо від телефону.
• Більш висока вартість у порівнянні з NiCd акумуляторами.
• Ускладнено швидке тестування [ 1 ] Акумуляторів (наприклад, на аналізаторі Cadex C7xxx), оскільки технологія їх виготовлення до кінця ще не відпрацьована і постійно змінюється.

Технологія виготовлення Li-ion акумуляторів постійно поліпшується. Вона оновлюється приблизно кожні шість місяців, і зрозуміти, як «поводяться» нові акумулятори після тривалого зберігання, важко.

Словом, усім був би Li-ion акумулятор хороший, якби не проблеми із забезпеченням безпеки його експлуатації і висока вартість. Спроби вирішення цих проблем і привели до появи літій-полімерних (Li-pol або Li-polymer) акумуляторів.

Основна їхня відмінність від Li-ion відображено в назві і полягає в типі використовуваного електроліту. Спочатку, в 70-х роках, застосовувався сухий твердий полімерний електроліт, схожий на пластикову плівку і не проводить електричний струм, але допускає обмін іонами (електрично зарядженими атомами або групами атомів). Полімерний електроліт фактично замінює традиційний пористий сепаратор, просочений електролітом.

Така конструкція спрощує процес виробництва, характеризується більшою безпекою і дозволяє випускати тонкі акумулятори довільної форми. До того ж відсутність рідкого або гелевого електроліту виключає можливість займання. Товщина елемента становить близько одного міліметра, так що розробники обладнання вільні у виборі форми, обрисів і розмірів, аж до впровадження його у фрагменти одягу.

Але поки, на жаль, сухі Li-polymer акумулятори володіють недостатньою електропровідністю при кімнатній температурі. Внутрішній опір їх занадто високо і не може забезпечити величину струму, необхідну для сучасних засобів зв'язку та електроживлення жорстких дисків переносних комп'ютерів. У той же час при нагріванні до 60 ° C і більше електропровідність Li-polymer збільшується до прийнятного рівня, однак для масового використання це не годиться.

Дослідники продовжують розробку Li-polymer акумуляторів з сухим твердим електролітом, які працюють при кімнатній температурі. Подібні акумулятори, як очікується, стануть комерційно доступними до 2005 року. Вони будуть стабільними, допускати 1000 повних циклів заряду-розряду і мати більш високу щільність енергії, ніж сьогоднішні Li-ion акумулятори

Тим часом деякі види Li-polymer акумуляторів в даний час використовуються в якості резервних джерел живлення в жаркому кліматі. Наприклад, частина виробників спеціально встановлює нагрівають елементи, що підтримують сприятливу для акумулятора температуру.

Ви запитаєте: як же так? На ринку щосили продають Li-polymer акумулятори, виробники комплектують ними телефони і комп'ютери, а ми тут говоримо, що для комерційної експлуатації вони поки не готові. Все дуже просто. В даному випадку мова йде про акумулятор ні з сухим твердим електролітом. Для того щоб підвищити електропровідність невеликих Li-polymer акумуляторів, в них додають деяку кількість гелеобразного електроліту. І більшість Li-polymer акумуляторів, що використовуються сьогодні для мобільних телефонів, фактично є гібридами, оскільки містять гелеобразний електроліт. Правильніше було б їх називати літій-іонними полімерними. Але більшість виробників в рекламних цілях маркують їх просто як Li-polymer. Зупинимося докладніше на цьому типі літій-полімерних акумуляторів, оскільки на даний момент саме вони становлять найбільший інтерес.

Отже, в чому відмінність між Li-ion і Li-polymer акумулятором з добавкою гелеобразного електроліту? Хоча характеристики і ефективність обох систем багато в чому схожі, унікальність Li-ion полімерного (можна його і так назвати) акумулятора полягає в тому, що в ньому все ж використовується твердий електроліт, який замінює пористий сепаратор. Гелевий електроліт додається тільки для збільшення іонної електропровідності.

Технічні труднощі і затримка в нарощуванні обсягів виробництва затримали впровадження Li-ion полімерних акумуляторів. Це викликано, на думку деяких експертів, бажанням інвесторів, що вклали великі гроші в розробку і масове виробництво Li-ion акумуляторів, отримати свої інвестиції назад. Тому вони й не поспішають переходити на нові технології, хоча при масовому виробництві Li-ion полімерні акумулятори будуть дешевше літій-іонних.

А тепер про особливості експлуатації Li-ion і Li-polymer акумуляторів.

Їх основні характеристики дуже схожі. Про заряді Li-ion акумуляторів досить докладно розказано в статті [ 2 ]. На додаток наведу лише графік (Рис.1) з [ 3 ], Який ілюструє стадії заряду, і невеликі пояснення до нього.

Час заряду всіх Li-ion акумуляторів при початковому зарядному струмі в 1С (чисельно рівному номінальному значенню ємності акумулятора) становить в середньому 3 години. Повний заряд досягається при напрузі на акумуляторі, рівному верхньому порогу, і при зменшенні струму заряду до рівня, приблизно рівного 3% від початкового значення. Акумулятор під час заряду залишається холодним. Як видно з графіка, процес заряду складається з двох стадій. На першій (годину з невеликим) напруга зростає при майже постійному початковому струмі заряду в 1С до моменту першого досягнення верхньої межі напруги. До цього моменту акумулятор заряджається приблизно на 70% від своєї ємності. На початку другого етапу напруга залишається майже постійним, а струм зменшується до тих пір, поки не досягне вищевказаних 3%. Після цього заряд повністю припиняється.

Якщо потрібно підтримувати акумулятор весь час в зарядженому стані, то підзаряд рекомендується проводити через 500 годин, або 20 днів. Зазвичай його проводять при зменшенні напруги на висновках акумулятор до 4.05 В і припиняють при досягненні 4.2 В

Кілька слів про температурному діапазоні при заряді. Більшість різновидів Li-ion акумуляторів допускають заряд струмом в 1С при температурі від 5 до 45 ° C. При температурі від 0 до 5 ° C рекомендується заряджати струмом в 0.1 С. Заряд при мінусовій температурі заборонений. Для заряду оптимальна температура від 15 до 25 ° C.

Зарядні процеси в Li-polymer акумуляторах майже ідентичні вищеописаним, тому споживачеві абсолютно ні до чого знати, який з двох типів акумуляторів у нього в руках. І всі ті зарядні пристрої, які він використовував для Li-ion акумуляторів, годяться для Li-polymer.

А тепер про умови розряду. Зазвичай Li-ion акумулятори розряджають до значення 3.0 В на елемент, хоча для деяких різновидів нижній поріг становить 2.5 В. Виробники обладнання з живленням від акумуляторів, як правило, розробляють пристрої з порогом виключення 3.0 В (на всі випадки життя). Що це означає? Напруга на акумуляторі при включеному телефоні поступово зменшується, і як тільки воно досягне 3.0 В, апарат попередить вас і вимкнеться. Однак це зовсім не означає, що він перестав споживати енергію від акумулятора. Енергія, нехай незначна, потрібно для визначення натискання клавіші включення телефону і деяких інших функцій. Крім того, енергію споживає власна внутрішня схема управління і захисту, та й саморазряд, хоч і невеликий, але все ж характерний навіть для акумуляторів на основі літію. В результаті, якщо залишити літієві акумулятори на тривалий термін без підзарядки, напруга на них впаде нижче 2.5 В, що дуже погано. У цьому випадку можливе відключення внутрішньої схеми управління і захисту, і не всі зарядні пристрої зможуть зарядити такі акумулятори. Крім того, глибокий розряд негативно позначається на внутрішній структурі самого акумулятора. Повністю розряджений акумулятор повинен заряджатися на першому етапі струмом всього в 0.1C. Словом, акумулятори швидше люблять перебувати в зарядженому стані, ніж в розрядженому.

Кілька слів про температурних умовах при розряді (читай під час роботи).

Як правило, Li-ion акумулятори найкраще функціонують при кімнатній температурі. Робота в тепліших умовах серйозно скорочує термін їх служби. Хоча, наприклад, свинцево-кислотний акумулятор має найвищу ємність при температурі понад 30 ° C, але тривала експлуатація в таких умовах скорочує життя акумулятора. Точно так само і Li-ion краще працюють при високій температурі, яка спочатку протидіє збільшенню внутрішнього опору акумулятора, що є результатом старіння. Але підвищена енерговіддача коротка, оскільки підвищення температури, в свою чергу, сприяє прискореному старінню, супроводжуваному подальшим збільшенням внутрішнього опору.

Виняток становлять на даний момент тільки літій-полімерні акумулятори з сухим твердим полімерним електролітом. Для них життєво необхідна температура від 60 ° C до 100 ° C. І такі акумулятори зайняли свою нішу на ринку резервних джерел в місцях з жарким кліматом. Вони поміщаються в теплоізольований корпус з вбудованими елементами нагрівання, що харчуються від зовнішньої мережі. Li-ion полімерні акумулятори в якості резервних, як вважають, перевершують по ємності і довговічності VRLA акумулятори, особливо в польових умовах, коли управління температурою неможливо. Але їх висока ціна залишається стримуючим фактором.

При низьких температурах ефективність акумуляторів всіх електрохімічних систем різко падає. У той час як для NiMH, SLA і Li-ion акумуляторів температура -20 ° C є межею, при якому вони припиняють функціонувати, NiCd продовжують працювати до -40 ° C. Зазначу тільки, що мова знову ж таки йде тільки про акумулятор широкого застосування.

Важливо не забувати, що, хоча акумулятор і може працювати при низьких температурах, це зовсім не означає, що він може бути також заряджений в цих умовах. Сприйнятливість до заряду у більшості акумуляторів при дуже низьких температурах надзвичайно обмежена, і струм заряду в цих випадках повинен бути зменшений до 0.1C.

На закінчення хочу відзначити, що задати питання і обговорити проблеми, пов'язані з Li-ion, Li-polymer, а також іншими типами акумуляторів, можна на форумі [ 4 ] В подфоруму з аксесуарів.

При написанні статті використані матеріали [ 3 ], Люб'язно надані паном Isidor Buchmann, засновником і главою канадської компанії Cadex Electronics Inc. [ 5 ].

Більш детальна інформація російською мовою про акумулятор для мобільної техніки зв'язку, комп'ютерів та інших портативних приладів, поради по експлуатації та обслуговуванню приведені в [ 6 ].

ПОСИЛАННЯ

1. Акумулятори для мобільних пристроїв - академія для не інженер.
2. Акумулятори для мобільних пристроїв - методи заряду.
3. http://www.buchmann.ca/ - «Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries for non-engineers »- інтернет-версія книги пана Isidor Buchmann, глави канадської компанії Cadex Electronics Inc.
4. http://forum.rax.ru/vb/forumdisplay.php?forumid=45 - Мобільники і аксесуарів для них.
5. http://www.cadex.com - Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada - розробник і виробник зарядних пристроїв, аналізаторів і систем обслуговування акумуляторів.
6. http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ - Акумулятори для мобільних пристроїв і портативних комп'ютерів. Аналізатори акумуляторів.

Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори

Інженерна думка безперервно розвивається: її стимулюють постійно виникають проблеми, що вимагають для свого рішення розробки нових технологій. Свого часу на зміну нікель-кадмієвих (NiCd) акумуляторів прийшли нікель-металгідридні (NiMH), а зараз місце літій-іонних (Li-ion) намагаються зайняти літій-полімерні (Li-pol) акумулятори. NiMH акумулятори в якійсь мірі потіснили NiCd, але в силу таких незаперечних переваг останніх, як здатність віддавати великий струм, низька вартість і тривалий термін служби, не змогли забезпечити їх повноцінної заміни. А ось як справи з літієвими акумуляторами? Які їх особливості і чим відрізняються Li-pol акумулятори від Li-ion? Спробуємо розібратися в цьому питанні.

Як правило, всі ми при покупці мобільника або портативного комп'ютера не замислюємося про те, який акумулятор у них всередині і чим взагалі розрізняються ці пристрої. І тільки потім, зіткнувшись на практиці з споживчими якостями тих чи інших акумуляторів, починаємо аналізувати і вибирати. Тим, хто поспішає і бажає відразу отримати відповідь на питання, який акумулятор є оптимальним для стільникового телефону, я відповім коротко - Li-ion. Подальша інформація призначена для допитливих.

Для початку невеликий екскурс в історію.

Перші експерименти по створенню літієвих батарей почалися в 1912 році, але тільки через шість десятиліть, на початку 70-х років, вони вперше були впроваджені в побутові пристрої. Причому, підкреслю, це були саме батареї. Пішли слідом за цим спроби розробити літієві акумулятори (батарейки з можливiстю перезарядки) виявилися невдалими через проблеми, пов'язаних із забезпеченням безпеки їх експлуатації. Літій, найлегший зі всіх металів, має найбільший електрохімічний потенціал і забезпечує найбільшу щільність енергії. Акумулятори, що використовують літієві металеві електроди, характеризуються і високою напругою, і чудовою ємністю. Але в результаті численних досліджень в 80-х роках було з'ясовано, що циклічна робота (заряд - розряд) літієвих акумуляторів призводить до змін на літієвому електроді, в результаті яких зменшується теплова стабільність і з'являється загроза виходу теплового стану з-під контролю. Коли це відбувається, температура елемента швидко наближається до точки плавлення літію - і починається бурхлива реакція з займанням газів, що виділяються. Так, наприклад, велика кількість літієвих акумуляторів для мобільних телефонів, поставлених в Японію в 1991 році, було відкликано після декількох випадків їх займання.

Через властивою літію нестійкості дослідники звернули свій погляд у бік неметалічних літієвих акумуляторів на основі іонів літію. Трохи програвши при цьому в щільності енергії і прийнявши деякі запобіжні заходи при заряді і розряді, вони отримали більш безпечні так звані Li-ion акумулятори.

Щільність енергії Li-ion акумуляторів зазвичай удвічі перевищує щільність стандартних NiCd [ 1 ], А в перспективі, завдяки застосуванню нових активних матеріалів, передбачається ще більше збільшити її і досягти триразового переваги над NiCd. На додаток до великої ємності Li-ion акумулятор при розряді поводиться аналогічно NiCd (форма їх розрядних характеристик подібна і відрізняється лише напругою).

На сьогоднішній момент існує безліч різновидів Li-ion акумуляторів, причому можна довго говорити про переваги і недоліки того чи іншого типу, але відрізнити їх за зовнішнім виглядом неможливо. Тому відзначимо лише ті переваги і недоліки, які властиві всім типам цих пристроїв, і розглянемо причини, що викликали появу на світ літій-полімерних акумуляторів.

Основні переваги.

• Висока щільність енергії і як наслідок велика ємність при тих же самих габаритах в порівнянні з акумуляторами на основі нікелю.
• Низький саморозряд.
• Висока напруга одиничного елемента (3.6 В проти 1.2 В у NiCd і NiMH), що спрощує конструкцію - часто акумулятор складається тільки з одного елемента. Багато виробників сьогодні застосовують в стільникових телефонів саме такий одноелементний акумулятор (згадайте Nokia). Однак, щоб забезпечити ту ж саму потужність, необхідно віддати більш високий струм. А це вимагає забезпечення низького внутрішнього опору елемента.
• Низька вартість обслуговування (експлуатаційних витрат) - результат відсутності ефекту пам'яті, що вимагає періодичних циклів розряду для відновлення ємності.

Недоліки.

• Для акумулятора потрібно вбудована схема захисту (що веде до додаткового підвищення його вартості), яка обмежує максимальну напругу на кожному елементі акумулятора під час заряду і оберігає напруга елемента від занадто низького зниження при розряді. Крім того, вона обмежує максимальні струми заряду, розряду і контролює температуру елемента. В результаті можливість металізації літію практично виключена.
• Акумулятор схильний до старіння, навіть якщо не використовується і просто лежить на полиці. Процес старіння характерний для більшості Li-ion акумуляторів. З цілком зрозумілих причин виробники про цю проблему замовчують. Незначне зменшення ємності стає помітним вже через рік незалежно від того, перебував акумулятор в експлуатації чи ні. Через два або три роки він часто стає непридатним до використання. Втім, акумулятори інших електрохімічних систем також мають вікові зміни з погіршенням своїх параметрів (це особливо справедливо для NiMH, схильних до впливу високої температури навколишнього середовища). Для зменшення процесу старіння зберігайте заряджений приблизно до 40% від номінальної ємності акумулятор в прохолодному місці окремо від телефону.
• Більш висока вартість у порівнянні з NiCd акумуляторами.
• Ускладнено швидке тестування [ 1 ] Акумуляторів (наприклад, на аналізаторі Cadex C7xxx), оскільки технологія їх виготовлення до кінця ще не відпрацьована і постійно змінюється.

Технологія виготовлення Li-ion акумуляторів постійно поліпшується. Вона оновлюється приблизно кожні шість місяців, і зрозуміти, як «поводяться» нові акумулятори після тривалого зберігання, важко.

Словом, усім був би Li-ion акумулятор хороший, якби не проблеми із забезпеченням безпеки його експлуатації і висока вартість. Спроби вирішення цих проблем і привели до появи літій-полімерних (Li-pol або Li-polymer) акумуляторів.

Основна їхня відмінність від Li-ion відображено в назві і полягає в типі використовуваного електроліту. Спочатку, в 70-х роках, застосовувався сухий твердий полімерний електроліт, схожий на пластикову плівку і не проводить електричний струм, але допускає обмін іонами (електрично зарядженими атомами або групами атомів). Полімерний електроліт фактично замінює традиційний пористий сепаратор, просочений електролітом.

Така конструкція спрощує процес виробництва, характеризується більшою безпекою і дозволяє випускати тонкі акумулятори довільної форми. До того ж відсутність рідкого або гелевого електроліту виключає можливість займання. Товщина елемента становить близько одного міліметра, так що розробники обладнання вільні у виборі форми, обрисів і розмірів, аж до впровадження його у фрагменти одягу.

Але поки, на жаль, сухі Li-polymer акумулятори володіють недостатньою електропровідністю при кімнатній температурі. Внутрішній опір їх занадто високо і не може забезпечити величину струму, необхідну для сучасних засобів зв'язку та електроживлення жорстких дисків переносних комп'ютерів. У той же час при нагріванні до 60 ° C і більше електропровідність Li-polymer збільшується до прийнятного рівня, однак для масового використання це не годиться.

Дослідники продовжують розробку Li-polymer акумуляторів з сухим твердим електролітом, які працюють при кімнатній температурі. Подібні акумулятори, як очікується, стануть комерційно доступними до 2005 року. Вони будуть стабільними, допускати 1000 повних циклів заряду-розряду і мати більш високу щільність енергії, ніж сьогоднішні Li-ion акумулятори

Тим часом деякі види Li-polymer акумуляторів в даний час використовуються в якості резервних джерел живлення в жаркому кліматі. Наприклад, частина виробників спеціально встановлює нагрівають елементи, що підтримують сприятливу для акумулятора температуру.

Ви запитаєте: як же так? На ринку щосили продають Li-polymer акумулятори, виробники комплектують ними телефони і комп'ютери, а ми тут говоримо, що для комерційної експлуатації вони поки не готові. Все дуже просто. В даному випадку мова йде про акумулятор ні з сухим твердим електролітом. Для того щоб підвищити електропровідність невеликих Li-polymer акумуляторів, в них додають деяку кількість гелеобразного електроліту. І більшість Li-polymer акумуляторів, що використовуються сьогодні для мобільних телефонів, фактично є гібридами, оскільки містять гелеобразний електроліт. Правильніше було б їх називати літій-іонними полімерними. Але більшість виробників в рекламних цілях маркують їх просто як Li-polymer. Зупинимося докладніше на цьому типі літій-полімерних акумуляторів, оскільки на даний момент саме вони становлять найбільший інтерес.

Отже, в чому відмінність між Li-ion і Li-polymer акумулятором з добавкою гелеобразного електроліту? Хоча характеристики і ефективність обох систем багато в чому схожі, унікальність Li-ion полімерного (можна його і так назвати) акумулятора полягає в тому, що в ньому все ж використовується твердий електроліт, який замінює пористий сепаратор. Гелевий електроліт додається тільки для збільшення іонної електропровідності.

Технічні труднощі і затримка в нарощуванні обсягів виробництва затримали впровадження Li-ion полімерних акумуляторів. Це викликано, на думку деяких експертів, бажанням інвесторів, що вклали великі гроші в розробку і масове виробництво Li-ion акумуляторів, отримати свої інвестиції назад. Тому вони й не поспішають переходити на нові технології, хоча при масовому виробництві Li-ion полімерні акумулятори будуть дешевше літій-іонних.

А тепер про особливості експлуатації Li-ion і Li-polymer акумуляторів.

Їх основні характеристики дуже схожі. Про заряді Li-ion акумуляторів досить докладно розказано в статті [ 2 ]. На додаток наведу лише графік (Рис.1) з [ 3 ], Який ілюструє стадії заряду, і невеликі пояснення до нього.

Час заряду всіх Li-ion акумуляторів при початковому зарядному струмі в 1С (чисельно рівному номінальному значенню ємності акумулятора) становить в середньому 3 години. Повний заряд досягається при напрузі на акумуляторі, рівному верхньому порогу, і при зменшенні струму заряду до рівня, приблизно рівного 3% від початкового значення. Акумулятор під час заряду залишається холодним. Як видно з графіка, процес заряду складається з двох стадій. На першій (годину з невеликим) напруга зростає при майже постійному початковому струмі заряду в 1С до моменту першого досягнення верхньої межі напруги. До цього моменту акумулятор заряджається приблизно на 70% від своєї ємності. На початку другого етапу напруга залишається майже постійним, а струм зменшується до тих пір, поки не досягне вищевказаних 3%. Після цього заряд повністю припиняється.

Якщо потрібно підтримувати акумулятор весь час в зарядженому стані, то підзаряд рекомендується проводити через 500 годин, або 20 днів. Зазвичай його проводять при зменшенні напруги на висновках акумулятор до 4.05 В і припиняють при досягненні 4.2 В

Кілька слів про температурному діапазоні при заряді. Більшість різновидів Li-ion акумуляторів допускають заряд струмом в 1С при температурі від 5 до 45 ° C. При температурі від 0 до 5 ° C рекомендується заряджати струмом в 0.1 С. Заряд при мінусовій температурі заборонений. Для заряду оптимальна температура від 15 до 25 ° C.

Зарядні процеси в Li-polymer акумуляторах майже ідентичні вищеописаним, тому споживачеві абсолютно ні до чого знати, який з двох типів акумуляторів у нього в руках. І всі ті зарядні пристрої, які він використовував для Li-ion акумуляторів, годяться для Li-polymer.

А тепер про умови розряду. Зазвичай Li-ion акумулятори розряджають до значення 3.0 В на елемент, хоча для деяких різновидів нижній поріг становить 2.5 В. Виробники обладнання з живленням від акумуляторів, як правило, розробляють пристрої з порогом виключення 3.0 В (на всі випадки життя). Що це означає? Напруга на акумуляторі при включеному телефоні поступово зменшується, і як тільки воно досягне 3.0 В, апарат попередить вас і вимкнеться. Однак це зовсім не означає, що він перестав споживати енергію від акумулятора. Енергія, нехай незначна, потрібно для визначення натискання клавіші включення телефону і деяких інших функцій. Крім того, енергію споживає власна внутрішня схема управління і захисту, та й саморазряд, хоч і невеликий, але все ж характерний навіть для акумуляторів на основі літію. В результаті, якщо залишити літієві акумулятори на тривалий термін без підзарядки, напруга на них впаде нижче 2.5 В, що дуже погано. У цьому випадку можливе відключення внутрішньої схеми управління і захисту, і не всі зарядні пристрої зможуть зарядити такі акумулятори. Крім того, глибокий розряд негативно позначається на внутрішній структурі самого акумулятора. Повністю розряджений акумулятор повинен заряджатися на першому етапі струмом всього в 0.1C. Словом, акумулятори швидше люблять перебувати в зарядженому стані, ніж в розрядженому.

Кілька слів про температурних умовах при розряді (читай під час роботи).

Як правило, Li-ion акумулятори найкраще функціонують при кімнатній температурі. Робота в тепліших умовах серйозно скорочує термін їх служби. Хоча, наприклад, свинцево-кислотний акумулятор має найвищу ємність при температурі понад 30 ° C, але тривала експлуатація в таких умовах скорочує життя акумулятора. Точно так само і Li-ion краще працюють при високій температурі, яка спочатку протидіє збільшенню внутрішнього опору акумулятора, що є результатом старіння. Але підвищена енерговіддача коротка, оскільки підвищення температури, в свою чергу, сприяє прискореному старінню, супроводжуваному подальшим збільшенням внутрішнього опору.

Виняток становлять на даний момент тільки літій-полімерні акумулятори з сухим твердим полімерним електролітом. Для них життєво необхідна температура від 60 ° C до 100 ° C. І такі акумулятори зайняли свою нішу на ринку резервних джерел в місцях з жарким кліматом. Вони поміщаються в теплоізольований корпус з вбудованими елементами нагрівання, що харчуються від зовнішньої мережі. Li-ion полімерні акумулятори в якості резервних, як вважають, перевершують по ємності і довговічності VRLA акумулятори, особливо в польових умовах, коли управління температурою неможливо. Але їх висока ціна залишається стримуючим фактором.

При низьких температурах ефективність акумуляторів всіх електрохімічних систем різко падає. У той час як для NiMH, SLA і Li-ion акумуляторів температура -20 ° C є межею, при якому вони припиняють функціонувати, NiCd продовжують працювати до -40 ° C. Зазначу тільки, що мова знову ж таки йде тільки про акумулятор широкого застосування.

Важливо не забувати, що, хоча акумулятор і може працювати при низьких температурах, це зовсім не означає, що він може бути також заряджений в цих умовах. Сприйнятливість до заряду у більшості акумуляторів при дуже низьких температурах надзвичайно обмежена, і струм заряду в цих випадках повинен бути зменшений до 0.1C.

На закінчення хочу відзначити, що задати питання і обговорити проблеми, пов'язані з Li-ion, Li-polymer, а також іншими типами акумуляторів, можна на форумі [ 4 ] В подфоруму з аксесуарів.

При написанні статті використані матеріали [ 3 ], Люб'язно надані паном Isidor Buchmann, засновником і главою канадської компанії Cadex Electronics Inc. [ 5 ].

Більш детальна інформація російською мовою про акумулятор для мобільної техніки зв'язку, комп'ютерів та інших портативних приладів, поради по експлуатації та обслуговуванню приведені в [ 6 ].

ПОСИЛАННЯ

1. Акумулятори для мобільних пристроїв - академія для не інженер.
2. Акумулятори для мобільних пристроїв - методи заряду.
3. http://www.buchmann.ca/ - «Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries for non-engineers »- інтернет-версія книги пана Isidor Buchmann, глави канадської компанії Cadex Electronics Inc.
4. http://forum.rax.ru/vb/forumdisplay.php?forumid=45 - Мобільники і аксесуарів для них.
5. http://www.cadex.com - Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada - розробник і виробник зарядних пристроїв, аналізаторів і систем обслуговування акумуляторів.
6. http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ - Акумулятори для мобільних пристроїв і портативних комп'ютерів. Аналізатори акумуляторів.