Технический прогресс — машина, которая катит без остановки! Топливом для этой машины служат всё новые и новые проблемы нашего современного мира. Помните, еще не так давно в ходу были никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы, им на смену пришли никель-металлгидридные (NiMH). А вот сегодня место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. Чем отличаются Li-pol от Li-ion? Какие преимущества литий-полимерных перед литий-ионными аккумуляторами? Попробуем разобраться.

Когда мы покупаем телефон или планшет, мало кто задает себе вопрос — какой внутри аккумулятор? Лишь потом, столкнувшись с проблемой быстрого разряда гаджета, мы начинаем более детально рассматривать «внутрянку» нашего устройства.

О литиевых батареях стало известно в 1912 году, тогда начались первые эксперименты, но широкого применения они не нашли. И лишь в 70-х годах, через шесть десятилетий, эти зарядные элементы заняли свои места практически во всех бытовых устройствах. Подчеркнем, что разговор пока идет только о батареях, а не аккумуляторах.

Литий — самый легкий металл, так же он обеспечивает самую большую плотность энергии и обладает существенным электрохимическим потенциалом. Аккумуляторы, которые в своей основе имеют литиевые металлические электроды, обладают большой ёмкостью и высоким напряжением. В 80-х годах, в результате многочисленных исследований, выяснилось, что циклическая работа литиевых аккумуляторов (процесс заряд/разряд) приводит к воспламенению зарядных устройств, а вслед за ними и самих гаджетов. Так, в 1991 году, в Японии было отозвано несколько тысяч телефонов из-за угрозы возгорания. Из-за этих опасных свойств лития, ученые обратили все свои усилия на неметаллические литиевые аккумуляторы на основе ионов лития. И через некоторое время был создан более безопасный вариант зарядного устройства, который получил название литий-ионный (Li-ion) .

Сегодня литий-ионный аккумулятор стоит практически во всех мобильных устройствах, он имеет большое количество разновидностей, обладает массой положительных качеств, но и недостатков, о которых мы поговорим подробнее.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов:

Высокая плотность энергии и как следствие - большая емкость

Низкий саморазряд

Высокое напряжение единичного элемента. Это упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia)

Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов)

Отсутствие эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления емкости.

Недостатки:

Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде

Аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion аккумуляторов. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Незначительное уменьшение емкости становится заметным уже через год вне зависимости от того, находился аккумулятор в эксплуатации или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к использованию

Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами.

Литий-ионные аккумуляторы постоянно совершенствуются, технология улучшается. И всем был бы хорош этот аккумулятор, если бы не проблемы безопасности при его использовании и высокая цена. Все эти причины стали основой для создания литий-полимерных аккумуляторов (Li-pol или Li-polymer) . Самое очевидное и самое основное различие между Li-pol и Li-ion — это тип используемого электролита. Использование твердого полимерного электролита существенно удешевляет процесс создания аккумулятора и делает его более безопасным, а так же позволяет создавать более тонкие зарядные устройства. Почему же литий-полимерный аккумулятор полностью не вытеснил своего предшественника? Одна из возможных версий, которую высказывают эксперты — инвесторы, вложившие большие суммы в разработку и массовое внедрение Li-ion аккумуляторов, стараются вернуть инвестиции.

Давайте подведем итоги. Если говорить обобщающе, то литий-полимерный аккумулятор — это более совершенная версия литий-ионного. Судите сами:

Преимущества Li-pol и Li-ion аккумуляторов

Обобщая, можно сказать, что, благодаря современным технологиям, у нас есть два типа надёжных внешних батарей. С развитием мобильных технологий, с появлением смартфонов, планшетов и многих других цифровых гаджетов, с созданием энергоёмких приложений, пользователи оказались перед проблемой "севшей батареи". Конечно же, и Li-ion, и Li-Pol батареи сразу же нашли своё применение во внешних зарядных устройствах.

Это превосходное решение для современной жизни. Самое главное при выборе powerbank - это не нарваться на мошенников (подробнее о том, как отличить подделку от оригинала мы писали , а о том, как по сайту магазина понять со 100%-ной уверенностью, что в нём вам продадут подделку -

Рост потребительского интереса к мобильным гаджетам и технологичной портативной технике в целом заставляет производителей совершенствовать свою продукцию в самых разных направлениях. При этом существует целый ряд общих параметров, работа над которыми ведется в одном русле. К таким можно отнести способ энергообеспечения. Всего несколько лет назад активные участники рынка могли наблюдать процесс вытеснения более совершенными элементами никель-металлгидридного происхождения NiMH. Сегодня же соперничество ведут между собой уже новые генерации батарей. Широко распространенную литий-ионную технологию в некоторых сегментах успешно вытесняет литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в новом блоке не так заметно для рядового пользователя, но в некоторых аспектах оно существенно. При этом, как и в случае конкуренции элементов NiCd и NiMH, замещающая технология далеко не безупречна и по некоторых показателям уступает аналогу.

Устройство аккумулятора Li-ion

Первые модели серийных аккумуляторов на основе лития стали появляться еще в начале 1990 годов. Однако в качестве активного электролита тогда использовался кобальт и марганец. В современных же важно не столько вещество, сколько конфигурация его размещения в блоке. Такие аккумуляторы состоят из электродов, которые разделяются сепаратором с порами. Масса сепаратора, в свою очередь, как раз и пропитывается электролитом. Что касается электродов, то их представляет катодная основа на алюминиевой фольге и медный анод. Внутри блока соединяются между собой клеммами-токосъемникам. Обслуживание заряда выполняет положительный заряд ион лития. Этот материал выгоден тем, что располагает способностью легко проникать в кристаллические решетки других веществ, формируя химические связи. Впрочем, положительных качеств таких батарей все чаще оказывается недостаточно для современных задач, что и обусловило появление элементов Li-pol, которые имеют немало особенностей. В целом же стоит отметить и сходство литий-ионных источников питания с гелиевыми полноформатными АКБ для автомобилей. В обоих случаях батареи разрабатываются с расчетом на физическую практичность в использовании. Отчасти это направление развития продолжили и полимерные элементы.

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Толчком для совершенствования литиевых аккумуляторов стала необходимость борьбы с двумя недостатками существующих батарей Li-ion. Во-первых, они небезопасны в эксплуатации, а во-вторых, довольно дорого обходятся по цене. Избавляться от данных минусов технологи решили путем смены электролита. В итоге на смену пропитанному пористому сепаратору пришел полимерный электролит. Надо отметить, что полимер и раньше использовался в электротехнических нуждах в качестве пластиковой пленки, проводящей ток. В современной же батарее толщина элемента Li-pol достигает 1 мм, что также снимает с разработчиков ограничения по использованию различных форм и размеров. Но главное заключается в отсутствии жидкого электролита, благодаря чему исключается риск воспламенения. Теперь стоит подробнее рассмотреть отличия от литий-ионных элементов.

В чем главное отличие от ионной батареи?

Принципиальное отличие заключается в отказе от гелиевых и жидкостных электролитов. Для более полного понимания этой разницы стоит обратиться к современным моделям автомобильных аккумуляторов. Потребность в замене жидкого электролита была обусловлена, опять же, интересами безопасности. Но если в случае с автомобильными АКБ прогресс остановился на тех же пористых электролитах с пропиткой, то литиевые модели получили полноценную твердую основу. Чем же так хорош твердотельный литий-полимерный аккумулятор? Отличие от ионного заключается в том, что активное вещество в виде пластины в зоне контакта с литием препятствует формированию дендритов при циклировании. Как раз этот фактор исключает вероятность взрывов и возгораний таких батарей. Это лишь то, что касается достоинств, но также есть и слабые места у новых элементов питания.

Срок службы литий-полимерного аккумулятора

В среднем такие аккумуляторы выдерживают порядка 800-900 циклов зарядки. Данный показатель является скромным на фоне современных аналогов, но даже не этот фактор можно рассматривать как определяющий ресурс элемента. Дело в том, что такие аккумуляторы подвержены интенсивному старению независимо от характера эксплуатации. То есть даже если батарея вовсе не используется, ее ресурс будет сокращаться. Причем не имеет значения, это литий-ионный аккумулятор или литий-полимерный элемент. Все источники питания, базирующиеся на литиевой основе, характеризуются данным процессом. Существенную утрату в объеме можно заметить уже через год после приобретения. Спустя 2-3 года некоторые батареи и вовсе выходят из строя. Но многое зависит от производителя, поскольку внутри сегмента тоже есть различия в качестве исполнения аккумулятора. Аналогичные проблемы свойственны и элементам NiMH, которые подвергаются старению при резких температурных колебаниях.

Недостатки

Кроме проблем с быстрым устареванием, такие аккумуляторы нуждаются в дополнительной системе защиты. Связано это с тем, что внутреннее напряжение на разных участках может привести к перегоранию. Поэтому используется особая схема стабилизации, предотвращающая перегревы и перезаряды. Эта же система влечет и другие недостатки. Главным из них является ограничение тока. Но, с другой стороны, дополнительные защитные схемы делают безопаснее литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в плане стоимости тоже имеет место. Полимерные батареи стоят дешевле, но ненамного. Их ценник также повышается из-за внедрения электронных защитных схем.

Эксплуатационные особенности гелеобразных модификаций

С целью повышения электропроводности в полимерные элементы технологи все же добавляют гелеобразный электролит. О полном переходе на такие вещества речи не идет, поскольку это противоречит концепции данной технологии. Но в портативной технике часто используют именно гибридные элементы питания. Их особенность заключается в чувствительности к температуре. Производители рекомендуют использовать такие модели батарей в условиях от 60 °C до 100 °C. Это требование определило и особую нишу применения. Использовать гелеобразные модели можно только в местах с жарким климатом, не говоря о необходимости погружения в теплоизолированный корпус. Тем не менее вопрос о том, какой аккумулятор выбрать - Li-pol или Li-ion, - не так остро стоит на предприятиях. Там, где особое влияние имеет температура, часто применяются комбинированные решения. Полимерные элементы в таких случаях обычно используют в качестве резервных.

Оптимальный метод зарядки

Обычное время восполнения заряда у литиевых аккумуляторов составляет в среднем 3 ч. Причем в процессе зарядки блок остается холодным. Наполнение происходит в два этапа. На первом напряжение достигает пиковых величин, и такой режим поддерживается до набора 70%. Остальные 30% набираются уже в условиях нормального напряжения. Интересен и другой вопрос - как заряжать литий-полимерный аккумулятор, если нужно в постоянном режиме поддерживать его полный объем? В таком случае следует соблюдать график подзарядок. Эту процедуру рекомендуется производить примерно каждые 500 ч эксплуатации с полной разрядкой.

Меры предосторожности

В процессе эксплуатации следует применять только соответствующий по характеристикам зарядный прибор, подключая его к сети со стабильным напряжением. Также необходимо проверять состояние разъемов, чтобы не произошло размыкания аккумулятора. Важно учитывать, что, несмотря на высокую степень безопасности, это все же чувствительный к перегрузкам тип аккумулятора. Литий-полимерный элемент не терпит превышения показателей тока, чрезмерного охлаждения внешней среды и механических ударов. Впрочем, по всем этим показателя полимерные блоки все же более надежны, чем литий-ионные. И все-таки главный аспект безопасности заключается в безвредности твердотельных источников питания - разумеется, при условии поддержания их герметичности.

Какой аккумулятор лучше - Li-pol или Li-ion?

Данный вопрос в большей степени определяется условиями эксплуатации и целевым объектом энергоснабжения. Основные преимущества полимерных устройств скорее ощутимы для самих производителей, которые могут свободнее использовать новые технологии. Для пользователя разница будет малозаметна. Например, в вопросе о том, как заряжать литий-полимерный аккумулятор, владельцу придется больше внимания уделять качеству источника энергоснабжения. По времени же заряда это идентичные элементы. Что касается долговечности, то в этом параметре тоже ситуация неоднозначная. Эффект старения в большей степени характеризует полимерные элементы, но практика показывает разные примеры. К примеру, есть отзывы о литий-ионных элементах, которые становятся непригодными уже через год пользования. А полимерные в некоторых аппаратах эксплуатируются по 6-7 лет.

Заключение

Вокруг аккумуляторов по-прежнему сохраняется множество мифов и ложных суждений, которые касаются разных нюансов эксплуатации. И напротив, некоторые особенности батарей замалчиваются производителями. Что касается мифов, то один из них опровергает литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного аналога заключается в том, что полимерные модели испытывают меньше внутренних нагрузок. По этой причине сеансы зарядки еще не севших аккумуляторов не оказывают вредного воздействия на характеристики электродов. Если же говорить о скрываемых производителями фактах, то один из них касается долговечности. Как уже говорилось, ресурс аккумуляторов характеризуется не только скромным показателем циклов зарядки, но и неизбежной утратой полезного объема элемента питания.

Литий-полимерный аккумулятор является усовершенствованным вариантом традиционной литий-ионной батареи. Его основным отличием считается использование специального полимерного материала, в котором в качестве наполнения применяются гелеобразные литий-проводящие включения. Такой тип аккумуляторов применяется во многих моделях мобильных устройств, телефонах, цифровых приборах, радиоуправляемых машинах и так далее.

Традиционный литий-полимерный аккумулятор для бытового использования не может выдавать слишком большой ток. Однако сегодня имеются специальные силовые разновидности подобных устройств, которые могут выдавать ток, который во много раз превышает показатели его емкости в ампер-часах.

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Разница между литий-полимерным и литий-ионным носителем энергии заключается в типе применяемого электролита. В полимерных батареях применяется специальный полимер с литийсодержащим раствором, а в ионных - обычный гелевый электролит. В силовых системах большинства современных моделей используется именно литий полимерный аккумулятор. Это связано с тем, что он обеспечивает более мощные разрядные токи. Однако слишком жесткого разделения между этими типами аккумуляторов не существует, поскольку они отличаются только характером электролита. Это касается особенностей зарядки и разрядки, правил эксплуатации и техники безопасности.

Основные характеристики

Современный литий-полимерный аккумулятор при одинаковой массе является существенно более энергоемким, чем никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлгидридные (NiMH) батареи. Они имеют количество рабочих циклов примерно 500-600. Напомним, что у NiCd оно составляет 1000 циклов, а у NiMH - около 500. Как и литий-ионные, полимерные носители тоже со временем стареют. Поэтому через 2 года такой аккумулятор потеряет до 20% своей емкости.

Виды силовых литий-полимерных батарей

На сегодняшний день существует два основных вида таких батарей - стандартные и быстроразрядные. Они различаются между собой по уровню максимального разрядного тока. Этот показатель указывают либо в единицах аккумуляторной емкости, либо в амперах. В большинстве случаев максимальный уровень разрядного тока не превышает 3С. Однако некоторые модели могут давать ток в 5С. В быстроразрядных устройствах допускается ток разряда до 8-10С. Однако для бытовой техники быстроразрядные модели не используются.

Особенности применения

Применение литий-полимерного аккумулятора позволяет существенно увеличить время эксплуатации электромотора при сниженном весе самой батареи. Поэтому если заменить обычную батарею NiMH 650 мАч на два обычных литий-полимерных аккумулятора, то можно получить в 3 раза более емкий энергоноситель. При этом такая батарея будет более чем на 10 г легче. Если же взять быстроразрядные батареи, то тогда можно достичь еще более высокой производительности. Такая система станет отличным вариантом не только для небольших моделей самолетов или вертолетов, но и для внушительных радиоуправляемых устройств.

Литий-полимерные батареи, в отличие от литий-ионных, хорошо показали себя при использовании в вертолетах небольшого размера, таких как Hummingbird и Piccolo. Подобные модели с обычными коллекторными моторами могут летать на двух полимерных батареях в течение получаса. При использовании бесколлекторного мотора это время увеличивается до 50 минут. Такой тип аккумуляторных батарей считается идеальным вариантом для комнатных самолетов небольшого веса. Их эффективность в данном случае обуславливается гораздо меньшим весом по сравнению с NiCd батареями.

Единственное направление, в котором литий-полимерный аккумулятор уступает NiCd, это применение в устройствах со сверхвысоким разрядным током до 50 С. Однако, вполне возможно, что уже через несколько лет появятся более мощные батареи такого типа. При этом цены на литий-полимерные, литий ионные и NiCd аккумуляторы являются примерно одинаковыми при той же самой массе устройств.

Особенности эксплуатации

Правила эксплуатации литий-полимерного и литий-ионного аккумуляторов во многом схожи. При использовании батареи полимерного типа необходимо избегать некоторых опасных ситуаций, которые могут нанести ей непоправимый вред:

зарядка устройства с напряжением 4,2 вольт на банку;
разрядка токами с нагрузочной способностью, превышающей должную;
разрядка с напряжением ниже 3 вольт на банку;
разгерметизация батареи;
нагревание устройства выше 60 градусов;
длительное хранение в полностью разряженном состоянии.

Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы отличаются пожароопасностью во время перегревания и переразрядки. Чтобы бороться с таким явлением, все современные батареи оснащаются встроенной электронной системой, которая препятствует переразрядке или перегреванию. Именно поэтому литий-полимерный аккумулятор требует специальных алгоритмов зарядки.

Зарядка

Процесс заряда литий-полимерных аккумуляторов практически ничем не отличается от зарядки литий-ионных батарей. Зарядка большинства литий-полимерных батарей при стартовом зарядном токе в 1С достигается примерно в течение 3 часов. Чтобы достичь полного заряда, необходимо иметь напряжение на аккумуляторе, соответствующее верхнему порогу. Кроме того, необходимым условием является уменьшение тока заряда до 3% от номинального значения. При этом во время подобной зарядки такой аккумулятор всегда остается холодным. Если вы хотите поддерживать батарею постоянно в заряженном состоянии, то тогда подзарядку желательно проводить примерно один раз в 500 часов, что соответствует 20 суткам. Как правило, зарядка обычно проводится в том случае, когда напряжение на выводах аккумулятора снижается до 4,05В. Зарядку прекращают после того, как напряжение на выводах достигнет 4,2В.

Температурный режим заряда

В большинстве литий-полимерных аккумуляторов предусмотрена зарядка при температуре 5-45 градусов при силе тока 1С. Если же температура находится в пределах от 0 до 5 градусов, то тогда рекомендуется перейти на ток в 0,1С. Зарядка при минусовой температуре в данном случае полностью запрещена. Традиционно, считается, что наиболее удачные условия для заряда - это 15-25 градусов. Поскольку все процессы заряда в литий-полимерных и литий-ионных аккумуляторах практически идентичны, то для них можно использовать одни и те же зарядные устройства.

Условия разрядки

Традиционно, такой тип аккумуляторов разряжается при показателях напряжения 3,0В на батарею. Впрочем, некоторые виды устройств необходимо разряжать при минимальном пороге 2,5В. Производители мобильных устройств предусматривают порог выключения 3,0В, который будет годиться для любых типов батарей. То есть, по мере разрядки аккумулятора при включенном мобильном устройстве напряжение постепенно падает и, при достижении показателя 3,0В, прибор автоматически предупреждает вас и сам выключается. Однако при этом устройство все равно продолжает потреблять какое-то количество энергии от батареи. Это требуется для того, чтобы определять нажатие кнопки включения или для других подобных функций. Также энергия здесь может использоваться для собственной схемы защиты и управления. Тем более, что небольшой уровень саморазрядки все таки остается характерным для литий-полимерных носителей. Поэтому если оставить такие аккумуляторы на длительное время, то напряжение в них может упасть ниже 2,5В, что очень вредно. Могут отключиться все внутренние системы защиты и управления. В результате, такие батареи уже не смогут быть заряжены обычными зарядными устройствами. Помимо этого, полная разрядка очень вредна для внутренней структуры батареи. Поэтому полностью разряженный аккумулятор необходимо на первом этапе заряжать минимальным током в 0.1C.

Температурный режим при разрядке

Лучше всего литий-полимерный аккумулятор чувствует себя в условиях комнатной температуры. Если использовать устройство в более жарких условиях, то срок службы батареи может существенно снизиться. Что касается литий-ионной батареи, то такой аккумулятор лучше всего работает при высокой температуре. Вначале она препятствует повышению внутреннего сопротивления батареи, которое считается результатом старения. Правда, в последующем энергоотдача сокращается и повышение температуры ускоряет процесс старения за счет увеличения внутреннего сопротивления.

Литий-полимерный аккумулятор имеет несколько другие условия эксплуатации, так как он обладает сухим и твердым электролитом. Идеальной температурой для его работы является 60-100 градусов. Поэтому такой энергоноситель стал идеальным вариантом для источников резервного питания в регионах с жарким климатом. Их специально помещают в теплоизоляционный корпус со встроенными нагревательными элементами с питанием от внешней сети.

Литий-полимерный аккумулятор превосходит по емкости и долговечности литий-ионный.
Удобство использования в полевых условиях, когда нет возможности управлять температурой.
Высокая плотность энергии на единицу веса и объема.
Низкая саморазрядка.
Тонкие элементы не более 1 мм.
Гибкость формы.
Отсутствие эффекта памяти.
Широкий диапазон рабочих температур от −20 до +40 °C.
Незначительность перепада напряжения при разрядке.

Недостатки литий-полимерных батарей:

Низкая эффективность при температуре -20 градусов и ниже.
Высокая цена.

В литий-полимерные аккумуляторы (Li-po), отличаются от литий-ионных, тем, что не имеют сепараторов и жидкого электролита. В литий-полимерах используется гомогенный электролит с литиевыми солями в виде геля, или композиционный полимер с литиевыми солями в сухом состоянии (часто основой служит полиэтиленоксид). Так же литий полимерные аккумуляторы могут состоять из неводного раствора солей лития. Более подробно об отличиях читайте .

Преимущества литий полимерных аккумуляторов.

Основными преимуществами литий полимеров перед аккумуляторами является то, что они обладают достаточно низким саморазрядом и обладают в 4 с половиной раза большей энергоёмкостью чем Ni-CD аккумуляторы такой же массы.

Литий полимеры обычно имеют срок службы в 300 — 600 циклов заряда/разряда, но иногда встречаются и с 1000 циклами перезаряда.

Очень часто распространены литий-полимерные аккумуляторы формой, как пуговица, толщиной всего в 1 мм. (таблеточные). Так же данные аккумуляторы имеют самую малую массу относительно литий-ионных, никель кадмиевых аккумуляторов и неперезаряжаемых батарейках при условии одинаковой ёмкости.

Применение

Широко распространены малогабаритные литий-полимерные аккумуляторы пуговичной формы толщиной всего 1 мм. Кроме того, данные аккумуляторы имеют наименьшую массу относительно рассмотренных выше аккумуляторов и не перезаряжаемых элементов питания при одинаковой энергоемкости. Данный фактор определил дальнейшие ниши использования литий-полимерных аккумуляторов:

мобильные телефоны
видеорегистраторы и навигаторы
радиоуправляемые модели
различные гаджеты и девайсы.

Недостатки литий-полимерных аккумуляторов:

■ Энергетическая плотность ниже, чем у ;

■ Высокое внутреннее сопротивление литий-полимеров не может обеспечить большие токи разряда. Следовательно литий-полимеры не могут использоваться в шуруповёртах и другой высоко мощной технике.

■ Быстрая деградация, поэтому литий-полимерные аккумуляторы теряют большую часть ёмкости через пару лет даже во время хранения.

Данные аккумуляторы очень чувствительны к температурным режимам, в условии которых они работают. Так Литий-полимеры не могут нормально работать при отрицательной температуре окружающей среды. Наверняка Вы часто замечали, как быстро разряжается мобильный телефон на морозе. Литий-полимеры могут взорваться при температуре выше 70 °С и вызвать пожар.

Литий-полимерные аккумуляторы со временем могут потерять свои свойства, даже если не используются. Поэтому не следует покупать литий-полимеры про запас. литий-полимеры, как и литий-ионные аккумуляторы не обладают, всё же рекомендуется придерживаться кое-каких правил в отношении данных аккумуляторов:

Полностью зарядить при первом использовании
Пройти несколько циклов полного перезаряда, с использованием стабилизатора напряжения.
Хранить литий-полимерные аккумуляторы советуют в прохладном месте, но не при минусовой температуре.
Не допускать полного разряда
Следует избегать частых кратковременных дозарядок.
Самые оптимальные температуры для аккумулятора от +10°С до плюс 25°С.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Инженерная мысль непрерывно развивается: ее стимулируют постоянно возникающие проблемы, требующие для своего решения разработки новых технологий. В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе.

Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера не задумываемся о том, какой аккумулятор у них внутри и чем вообще различаются эти устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими качествами тех или иных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать. Тем, кто спешит и желает сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор является оптимальным для сотового телефона, я отвечу коротко — Li-ion. Дальнейшая информация предназначена для любознательных.

Для начала небольшой 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 и 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 в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd , а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик подобна и отличается лишь напряжением).

На сегодняшний момент 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 аккумуляторов.

Основные преимущества.

Высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
Низкий саморазряд.
Высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia). Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.
Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов) - результат отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления емкости.

Недостатки.

Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Она обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как «ведут себя» новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.

Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов.

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.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В то же время при нагревании до 60 °C и более электропроводность Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится.

Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году. Они будут стабильными, допускать 1000 полных циклов заряда-разряда и иметь более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы

Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время используются в качестве резервных источников питания в жарком климате. Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие элементы, поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.

Вы спросите: как же так? На рынке вовсю продают Li-polymer аккумуляторы, изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer. Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку на данный момент именно они представляют наибольший интерес.

Итак, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обеих систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности.

Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы будут дешевле литий-ионных.

А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.

Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов достаточно подробно рассказано в статье . В добавление приведу лишь график (Рис.1) из , иллюстрирующий стадии заряда, и небольшие пояснения к нему.

Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе, равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3% от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий. На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70% от своей емкости. В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3%. После этого заряд полностью прекращается.

Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и прекращают при достижении 4.2 В

Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5 до 45 °C. При температуре от 0 до 5 °C рекомендуется заряжать током в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна температура от 15 до 25 °C.

Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным, поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.

А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет 3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная, требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном.

Несколько слов о температурных условиях при разряде (читай во время работы).

Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при температуре более 30 °C, но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры, в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.

Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима температура от 60 °C до 100 °C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных, как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы, особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.

При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов температура -20 °C является пределом, при котором они прекращают функционировать, NiCd продолжают работать до -40 °C. Отмечу только, что речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.

Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.

В заключение хочу отметить, что задать вопросы и обсудить проблемы, связанные с Li-ion, Li-polymer, а также другими типами аккумуляторов, можно на форуме в подфоруме по аксессуарам.

При написании статьи использованы материалы [ — Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.