Різне

Все про акумулятор: Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори

09.10.2015

неділя, 29 червня 2008 р.
Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори

Всі ми при купівлі мобільного телефону або портативного комп’ютера абсолютно не замислюється про те, який акумулятор у них всередині і в чому різниця між різними їх видами. І тільки вже потім, зіткнувшись на практиці з споживчими якостями різних акумуляторів, починаємо аналізувати і вибирати.

Якщо ви поспішаєте і бажаєте відразу отримати відповідь на питання, який вибрати акумулятор для свого мобільного телефону, то зупиніться сьогодні на Li-ion і подальші міркування можете пропустити. А зацікавлені можуть читати далі.

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 з’явилися у побутових пристроях.

Слід зауважити, що це були саме батареї. Пішли слідом за цим спроби розробити літієві акумулятори (елементи живлення що перезаряджаються) виявилися невдалими із-за виниклих проблем у забезпеченні їх безпечної експлуатації.

Літій — найлегший з усіх металів, має найбільший електрохімічний потенціал і забезпечує найбільшу щільність енергії.

Акумулятори, використовують літієві металеві електроди здатні забезпечити високу напругу, і чудову ємність.

Але в результаті численних досліджень у 80-х роках, було з’ясовано, що циклічна робота (заряд — розряд) літієвих акумуляторів призводить до змін на литиевом електроді, зменшує теплову стабільність і викликає потенційну можливість виходу теплового стану з-під контролю.

У разі, коли це відбувається, температура елемента швидко наближається до точки плавлення літію і виникає бурхлива реакція з запалюванням виділяються газів. Так, наприклад, велика кількість літієвих акумуляторів для мобільних телефонів, поставлених в Японії в 1991 році, було відкликано після кількох випадків їх займання та заподіяння людям опіків.

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

Щільність енергії Li-ion акумуляторів, як правило, вдвічі перевищує щільність стандартних NiCd [1], а в перспективі, з застосуванням нових активних матеріалів, передбачається збільшити її ще й досягти триразового переваги над NiCd.

На додаток до великої ємності, Li-ion акумулятор при розряді веде себе аналогічно NiCd (форма їх розрядні характеристики подібна, і відрізняється лише напругою).

На сьогоднішній момент існує безліч різновидів Li-ion акумуляторів, причому можна довго говорити про переваги й недоліки того чи іншого типу, але з споживчої точки зору відрізнити їх по зовнішньому вигляді не представляється можливим.

Тому слід зазначити лише ті переваги і недоліки, які притаманні усім типам і розглянемо причини викликали появу на світ літій-полімерних акумуляторів.

Основні переваги:

  • Висока щільність енергії і як наслідок велика ємність при тих же габаритах в порівнянні з акумуляторами на основі нікелю.
  • Низький саморозряд.
  • Висока напруга одиничного елемента (3.6 проти 1.2 В NiCd і NiMH), що спрощує конструкцію, і часто акумулятор складається тільки з одного елемента. Багато виробників сьогодні орієнтуються на застосування для стільникових телефонів саме такого одноэлементного акумулятора (згадайте Nokia). Проте, щоб забезпечити ту ж саму потужність, необхідно віддати більш високий струм. А це вимагає забезпечення низького внутрішнього опору елемента.
  • Низька вартість обслуговування (експлуатаційних витрат), оскільки відсутній ефект пам’яті і не потрібні періодичні цикли розряду для відновлення ємності.

Основні недоліки:

  • Для акумулятора потрібно вбудована схема захисту (що веде до додаткового підвищення його вартості), яка обмежує максимальну напругу на кожному елементі батареї під час заряду і оберігає напруга елемента від занадто низької зниження при розряді. Крім того, вона обмежує максимальні струми заряду, розряду і контролює температура 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 очевидних причин, виробники про цю проблему замовчують. Невелике зменшення ємності помітно після одного року, незалежно від того, перебував акумулятор у використанні чи ні. Через два або три роки він часто стає непридатним до експлуатації. Втім, і акумулятори інших електрохімічних систем також мають вікові зміни з погіршенням своїх параметрів (це — особливо справедливо для NiMH, що піддаються 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 в порівнянні з NiCd акумулятори.
  • Утруднено швидке тестування акумуляторів (наприклад, на аналізаторі Cadex C7xxx), оскільки технологія їх виготовлення до кінця ще не відпрацьована і відбуваються її постійні зміни.

Технологія виготовлення Li-ion акумуляторів постійно поліпшується. Приблизно кожні шість місяців вона оновлюється і стає важко оцінити, як добре поводять себе нові акумулятори після тривалого зберігання.

Словом, всім хороший Li-ion акумулятор, але є деякі проблеми забезпечення безпеки експлуатації і висока вартість. Спроби вирішення цих проблем і призвели до появи літій-полімерних (Li-pol або Li-polymer ) акумуляторів.

Основна їх відмінність від Li-ion закладено в самій назві і полягає в типі використовуваного електроліту. Спочатку, в 70-х роках, використовували 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, просоченим електролітом.

Така конструкція спрощує процес виготовлення, більш безпечна і дозволяє виробляти тонкі акумулятори довільної форми. До того ж відсутня небезпека займання, оскільки немає рідкого або гелевого електроліту. При товщині елемента близько одного міліметра, 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 дуже високо і не може забезпечити величину струму, необхідну для сучасних пристроїв зв’язку та електроживлення жорстких дисків переносних комп’ютерів. У теж час при нагріванні до 60 °C і більше електропровідність збільшується до прийнятного рівня, однак для масового використання це не годиться.

Дослідники продовжують працювати в напрямку розробки Li-pol акумуляторів з сухим твердим електролітом, які працюють при кімнатній температурі. Такі акумулятори, як очікується, стануть комерційно доступними до 2005 року, будуть стабільними, допускать1000 повних циклів заряду — розряду і більш високу щільність енергії, ніж сьогоднішні Li-ion акумулятори.

Тим часом, деякі види Li-pol акумуляторів в даний час використовуються в якості резервних джерел живлення в жаркому кліматі. Наприклад, деякі виробники спеціально встановлюють нагріваючі елементи, з допомогою яких підтримується сприятливий температурний діапазон для акумулятора.

Ви запитаєте, як же так, на ринку щосили продаються 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 не з сухим твердим електролітом. Для того, щоб підвищити електропровідність невеликих Li-pol акумуляторів, в них додають деяку кількість гелеобразного електроліту. І більшість Li-pol акумуляторів, що використовуються сьогодні для мобільних телефонів, фактично є гібридами, оскільки містять гелеподібний електроліт.

Правильніше було б їх називати літій-іонними полімерними. Але більшість виробників в рекламних цілях і для просування на ринку, маркують їх просто як Li-polymer. Зупинимося детальніше на цьому типі літій-полімерних акумуляторів, оскільки саме вони на даний момент представляють для нас найбільший інтерес.

Перш за все, у чому відмінність між Li-ion і Li-polymer акумулятор з добавкою гелеобразного електроліту?

Хоча характеристики та ефективність обох систем дуже схожі, унікальність Li-ion полімерного (можна і так назвати) акумулятора 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 з-за бажання інвесторів, що вклали великі гроші в розробку й масове виробництво Li-ion акумуляторів, отримати свої інвестиції назад. Тому вони й не поспішають переходити на нові технології, хоча потенційно, при масовому виробництві Li-ion полімерні акумулятори дешевше літій-іонних.

Час заряду всіх Li-ion акумуляторів при початковому зарядному струмі в 1С (чисельно дорівнює номінальному значенню ємності акумулятора) становить близько 3-х годин.

Повний заряд досягається при досягненні напруги на акумуляторі рівного верхнього порогу і при зменшенні струму заряду до рівня, що приблизно дорівнює 3 % від початкового значення. Акумулятор під час заряду залишається холодним. Як видно з графіка загальний час заряду можна розділити на дві стадії.

протягом першої стадії (годину з невеликим) напруга на акумуляторі зростає при майже постійному початковому струмі заряду в 1С до моменту першого досягнення верхнього порогу напруги. До цього моменту акумулятор заряджається приблизно на 70 % від своєї ємності. Потім, з початком другої стадії напруга залишається майже постійним, а струм починає зменшуватися 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 і припиняють при досягненні 4.2 Ст.

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. Оптимальна температура при заряді від 15 до 25 градусів C.

Зарядні процеси в Li-polymer акумулятор майже ідентичні вищеописаним, тому для споживача практично зовсім ні до чого знати який їх двох типів акумуляторів у нього в руках. І всі ті зарядні пристрої, які він використовував для Li-ion акумуляторів, годяться і для Li-polymer.

А тепер про умови розряду.

Зазвичай Li-ion акумулятори розряджають до напруги 3.0 В на елемент, хоча і для деяких різновидів нижній поріг становить 2.5 Ст. Виробники обладнання з живленням від акумуляторів, як правило, розробляють пристрої з порогом виключення 3.0 (на всі випадки життя).

Що це означає? Все просто: напруга на акумуляторі при включеному телефоні поступово зменшується і як тільки досягає 3.0, телефон попередить вас і вимкнеться. Однак це зовсім не означає, що він перестав споживати енергію від акумулятора. Нехай трохи, але потрібна енергія для визначення натискання клавіші включення телефону і деяких інших функцій. Крім того, споживає енергію власна внутрішня схема управління і захисту, так і саморозряд, хоч і невеликий, але все ж характерний і для акумуляторів на основі літію.

Якщо залишити літієві акумулятори на тривалий термін без підзарядки, то напруга на них впаде нижче 2.5 Ст. А це для них дуже погано. У цьому випадку можливе відключення внутрішньої схеми керування і захисту, і не всі зарядні пристрої після цього зможуть заряджати такі акумулятори. Крім того, глибокий розряд негативно позначається і на внутрішній структурі самого акумулятора. Повністю розряджений акумулятор повинен заряджатися на першому етапі струмом всього у 0.1 C. Словом, акумулятори швидше люблять перебувати в зарядженому стані, ніж у розрядженому.

Кілька слів про температурні умови при розряді.

В основному Li-ion акумулятори найкраще функціонують при кімнатній температурі. Робота при підвищеній температурі драматично скорочує термін їх служби. Хоча, наприклад, свинцево-кислотний акумулятор може мати саму високу ємність при температурах більш ніж 30°C, але тривала експлуатація при таких умовах скорочує життя акумулятора.

так само і Li-ion краще працюють при високих температурах. Підвищена температура тимчасово протидіють внутрішнього опору акумулятора, збільшення якого є результатом старіння. Але підвищена енерговіддача коротке, 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. У резервному стані вони знаходяться у теплоізольованому корпусі з вбудованими елементами нагрівання, що харчуються від зовнішньої мережі. Застосування Li-ion полімерних акумуляторів в якості резервних, як вважають, перевершує VRLA акумулятори за розмірами і довговічності, особливо в польових умовах, коли управління температурою неможливо. Але їх висока ціна залишається стримуючим фактором.

При низьких температурах, ефективність акумуляторів всіх електрохімічних систем різко знижується. У той час як температура в мінус 20°C є межею, при якому NiMH, SLA та Li-ion акумулятори припиняють функціонувати, NiCd можуть продовжувати працювати до мінус 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 холодних температурах, але це зовсім не означає, що він автоматично може також бути заряджений при тих умовах. Сприйнятливість до заряду більшості акумуляторів при дуже низьких температурах надзвичайно обмежена і струм заряду при таких умовах повинен бути зменшений до 0.1 C.

У висновку хочу зазначити, що поставити питання та обговорити проблеми за Li-ion, Li-polymer, а також і інших типів акумуляторів, можна на форумі в подфоруме по аксесуарам.

При написанні статті використані матеріали, люб’язно надані паном Isidor Buchmann, засновником і главою Канадської компанії Cadex Electronics Inc.

Короткий опис статті: літій-полімерні акумулятори

Джерело: Все про акумулятор: Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори

Також ви можете прочитати