Литий полимерный аккумулятор плюсы и минусы

Содержание

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 [1], 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.

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.

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. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует температуру элемента. В результате возможность металлизации лития практически исключена.
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. Впрочем, аккумуляторы других электрохимических систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров (это особенно справедливо для NiMH, подверженных воздействию высокой температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения храните заряженный примерно до 40% от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона.
Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами.
Затруднено быстрое тестирование [1] аккумуляторов (например, на анализаторе Cadex C7xxx), поскольку технология их изготовления до конца еще не отработана и постоянно меняется.

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 [2]. В добавление приведу лишь график (Рис.1) из [3], 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 [4] в подфоруме по аксессуарам.

При написании статьи использованы материалы [3], любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой канадской компании Cadex Electronics Inc. [5].

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [6].

Особенности и характеристики

В конструкции присутствуют 2 электрода: катод на фольге из алюминия и анод на фольге из меди. Между электродами присутствует пористый сепаратор, пропитанный электролитом. Корпус батареи может быть жёстким или мягким, в зависимости от назначения. Ключевое отличие от литий-ионного аккумулятора состоит в применении полимерного электролита. Благодаря этому возрастает безопасность эксплуатации батарей. Полимерный электролит имеет гелеобразную структуру, что позволяет изготавливать батареи в гибкой оболочке.

Li-Po аккумулятор обладает такими техническими характеристиками:

Минимальная толщина элемента – 1 мм.
Номинальное напряжение – 3,7 В, минимальное – 2,5 В, максимальное – 4,2 В.
Удельная энергетическая ёмкость – 110-270 Вт⋅ч/кг.
Сопротивление внутри элемента – 4-15 мОм.
Количество циклов заряд разряд до падения ёмкости на 20% – около 800, в зависимости от качества исполнения и специфики эксплуатации.
Саморазряд при комнатной температуре (около +25°С) – примерно 1,6% в месяц.
Максимально возможный отдаваемый ток бытовых моделей – 5C, промышленных – до 130C, где C – ёмкость элемента питания в ампер-часах (А⋅ч).
Допустимый температурный режим эксплуатации – -20°С-+40°С. Оптимальная температура работы – +23°С.

Литий-полимерная технология применяется преимущественно для создания батарей в гибкой оболочке. Вес таких аккумуляторов примерно на 20% ниже в сравнении с классическими Li-ion аналогами в жёстком корпусе. Хотя на рынке можно встретить и Li-Pol АКБ в жёсткой оболочке.

Принцип работы у Li-poly и Li-ion батарей не отличается. Для переноса заряда используются ионы лития, перемещающиеся между катодом и анодом. При этом литиевые ионы имеют свойство внедрения в молекулярную структуру электродов. При зарядке ионы исходят от катода к аноду, в процессе разряда – в противоположном направлении. Средой для прохождения положительно заряженных ионов лития служит полимерный электролит, в составе которого присутствуют литиевые соли.

Преимущества литий-полимерных аккумуляторов

К основным достоинствам элементов питания данного типа можно отнести:

Компактные размеры при высокой ёмкости. В сравнении с другими видами аккумуляторов, особенно на основе никеля, при аналогичной ёмкости батарея имеет гораздо меньшие размеры.
Возможность изготовления сверхтонких АКБ. Благодаря применению сухого полимера с добавлением геля толщину одного элемента питания удалось уменьшить до 1 мм.
Устойчивость к перегрузкам по току. Аккумулятор может выдавать высокие токи, вплоть до 130C. Однако бытовые батареи выдают относительно невысокий ток – до
Невысокое внутреннее сопротивление. Благодаря этому повышается безопасность эксплуатации и снижается скорость саморазряда.
Возможность изготовления батарей разных типоразмеров. Производители предлагают не только мягкие плоские батареи, но и элементы питания нестандартных форм.
Стабильное напряжение в процессе работы. При разряде напряжение элемента питания снижается плавно, без резких колебаний.
Безопасность. При правильной эксплуатации аккумулятор не подвержен возгоранию.
Средний ресурс до снижения ёмкости на 20% при разряде током 2C составляет около 800 циклов заряд-разряд.
Более высокая скорость зарядки в сравнении с Li-ion батареями.
Минимальный эффект памяти. Не нужно полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой. Можно заряжать батарею при любом уровне заряда, это практически не влияет на ёмкость.
Высокая ёмкость. Производители предлагают модели ёмкостью от нескольких сотен до десятков тысяч мА⋅ч.
Широкий спектр применения – от мелкой бытовой электроники до узкоспециализированного промышленного оборудования.

Применение и характеристики

В первую очередь нужно отметить ёмкость Li-Pol батарей – она в несколько раз выше, чем у щёлочных, а количество рабочих циклов составляет около 600. Это значение постоянно увеличивается, и аккумуляторы совершенствуются.

Как и все АКБ, литий-полимерные подвержены старению – спустя два года активного использования они теряют около 20% своей ёмкости.

Среди основных видов можно выделить 2:

Быстроразрядный – применяются в устройствах, где нужен быстрый разряд с максимальной отдачей (радиоуправляемые модели один из примеров).
Обычные – предназначены для смартфонов, планшетов и других видов электротехники.

Использование

При эксплуатации следует выделить 2 главных момента, которые необходимо соблюдать.

Зарядка:

Параллельная зарядка LiPol аккумуляторов

Нужно правильно заряжать Li-Pol аккумулятор, чтобы он прослужил долгое время, не потеряв ёмкости. Происходить зарядка должна при постоянном напряжении около 4.2V. Можно выделить 2 основных типа зарядок: универсальная и предназначенная для одного вида аккумуляторов. Какой лучше заряжать?

Отвечая на этот вопрос нужно сказать, что универсальная стоит дороже, но она выводит всю информацию на дисплей, и позволяет максимально упростить процесс зарядки. Более дешёвые аналоги с возможностью заряжать только один тип, можно отнести, к более практичным – но все действия приходится делать вручную. А самой главной проблемой является то, что отслеживать заряд придётся самостоятельно, что не всегда удобно.

Нюансы эксплуатации:

Правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор — ещё не все требования, которые необходимо соблюдать. Существует целый ряд особенностей, которые нужно соблюдать при использовании Li-Pol аккумулятора:

Нельзя заряжать выше нормы;
Недопустимо замыкание;
Не должен нагреваться выше 60 градусов Цельсия;
Нельзя вскрывать;
Недопустим разряд, меньше 3 V;
Необходимо использовать подходящую зарядку;
Нельзя подвергать батарею ударам;
Хранить в разряженном состоянии нельзя.

Важно: при несоблюдении вышеуказанных правил, возможен не только выход батареи из строя, но и пожар, или потеря ёмкости батареи.

Не нужно сажать батарею «в ноль». Если для новой батареи это безвредно, то на батарее, которая уже служит некоторое время, это может привести к падению напряжения менее 3 V, и выходу аккумулятора из строя.

Если ёмкости различаются между собой более, чем на 15-20% — заряжать их нужно, используя специальные рекомендации.

Если не следить за перегревом батареи – она может вздуться, и прийти в негодность.

При использовании в условиях мороза батарею лучше всего держать в тепле, до момента, пока она будет вставлена в устройство. Это поможет повысить эффективность и продолжительность работы.

Типы Li-Po батарей

В зависимости от допустимых разрядных токов Li-Po батареи делятся на 2 группы:

Обычные – с разрядными токами до 3–5С. Такие устройства применяются в смартфонах, планшетах, других видах электроники и бытовой технике.
Быстроразрядные или силовые (обозначение Hi discharge, HC или HD в маркировке) – устройства с допустимым током разряда до 8–10С. Они применяются в радиоуправляемых моделях, портативном электроинструменте, электромобилях и других устройствах, которым нужны большие разрядные токи.

Ni-Cd, Ni-MH, Li-Ion и Li-polymer аккумуляторы. В чем разница. Плюсы и минусы

Для аккумуляторного инструмента никель-кадмиевые аккумуляторы являются фактическим стандартом. Инженерам хорошо известны их достоинства и недостатки, в частности Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы содержат кадмий – тяжёлый металл повышенной токсичности.

У никель-кадмиевых аккумуляторов есть так называемый «эффект памяти» суть которого сводится к тому, что при заряде не полностью разряженного аккумулятора его новый разряд возможен только до того уровня, с которого его зарядили. Другими словами аккумулятор «помнит» уровень остаточного заряда, с которого его полностью зарядили.

Итак, при заряде не полностью разряженного Ni-Cd аккумулятора происходит уменьшение его ёмкости.

Существует несколько способов борьбы с этим явлением. Опишем только самый простой и надёжный способ.

При использовании аккумуляторного инструмента с Ni-Cd аккумуляторными батареями следует придерживаться простого правила: заряжать только полностью разряженные аккумуляторы.

Рекомендуется хранить Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи в разряженном состоянии, желательно чтобы разряд не был глубоким, в противном случае это может вызвать необратимые процессы в батарее.

Плюсы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

Низкая цена Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
Возможность отдавать наибольший ток нагрузки
Возможность быстрого заряда аккумуляторной батареи
Сохранение высокой ёмкости аккумулятора до -20°C
Большое количество циклов заряда-разряда. При правильной эксплуатации подобные аккумуляторы отлично работают и допускают до 1000 циклов заряда-разряда и более

Минусы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

Относительно высокий уровень саморазряда – Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% своей ёмкости в первые сутки после полного заряда.
Во время хранения Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% заряда каждый месяц
После длительного хранения ёмкость Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора восстанавливается после 5 циклов разряда-заряда.
Для продления срока службы Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется каждый раз полностью его разряжать для предотвращения проявления «эффекта памяти»

Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы

Эти аккумуляторы предлагаются на рынке как менее токсичные (по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами) и более экологически безопасные, как в производстве, так и при утилизации.

На практике Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы действительно демонстрируют весьма большую ёмкость при габаритах и массе, несколько меньших, чем у стандартных Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов.

Благодаря практически полному отказу от применения токсичных тяжелых металлов в конструкции Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов последние после использования могут быть утилизованы вполне безопасно и без экологических последствий.

У никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижен «эффект памяти». На практике «эффект памяти» практически незаметен из-за высокого саморазряда этих аккумуляторов.

При эксплуатации Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов желательно разряжать их в процессе работы не полностью.

Хранить Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы следует в заряженном состоянии. При длительных (более месяца) перерывах в работе аккумуляторы следует перезаряжать.

Плюсы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

Нетоксичные аккумуляторы
Меньший «эффект памяти»
Хорошая работоспособность при низкой температуре
Большая ёмкость по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами

Минусы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

Более дорогой тип аккумуляторов
Величина саморазряда примерно в 1.5 раза выше по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
После 200-300 циклов разряда-заряда рабочая ёмкость Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижается
Батареи Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов имеют ограниченный срок службы

Li-Ion Литий-ионные аккумуляторы

Несомненным достоинством литий-ионных аккумуляторов является практически незаметный «эффект памяти».

Благодаря этому замечательному свойству Li-Ion аккумулятор можно заряжать или подзаряжать по мере необходимости, исходя из потребностей. Например, можно подзарядить не полностью разряженный литий-ионный аккумулятор перед важной, ответственной или продолжительной работой.

Длительное хранение рекомендуется производить при половинном уровне заряда литий-ионного аккумулятора.

К сожалению, эти аккумуляторы являются дорогими аккумуляторными батареями. Кроме того литий-ионные аккумуляторы имеют ограниченный срок службы, независящий от числа циклов разряд-заряд.

Резюмируя можно предположить, что литий-ионные аккумуляторы лучше всего пригодны для случаев постоянной интенсивной эксплуатации аккумуляторного инструмента.

Плюсы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Отсутствует «эффект памяти» и поэтому появляется возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости
Высокая ёмкость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Небольшая масса Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Рекордно-низкий уровень саморазряда – не более 5% в месяц
Возможность быстрого заряда Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Минусы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Высокая стоимость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Сокращается время работы при температуре ниже нуля градусов Цельсия
Ограниченный срок службы

Из практики эксплуатации Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов в телефонах, фотокамерах и т.д. можно отметить, что эти аккумуляторы служат в среднем от 4 до 6 лет и выдерживают за это время около 250-300 циклов разряда-заряда. При этом абсолютно точно замечено: больше циклов разряд-заряд – короче срок службы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов!

Li-polymer Литий полимерные аккумуляторы

Литий-полимерный аккумулятор — это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя.

Литий-полимерные батареи изготавливаются в разнообразных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных батарей. Они достаточно тонкие по толщине и способны заполнять любое свободное место.

Под воздействием заряда литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы снижают ёмкость в зависимости от температурного режима.

Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-полимерный аккумулятор. Оптимальные условия хранения Li-pol аккумуляторов достигаются при 40%-м заряде от ёмкости аккумулятора.

Плюсы Li-polymer Литий полимерных аккумуляторов

Большая плотность энергии на единицу объёма и массы (в сравнении с литий-ионными);
Низкий саморазряд;
Толщина элементов от 1 мм;
Возможность получать очень гибкие формы;
Отсутствие эффекта памяти;
Незначительный перепад напряжения по мере разряда.
Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов довольно широкий: от −20 до +40 °C по данным производителей.

Минусы Li-polymer Литий полимерных аккумуляторов

Относительно небольшое количество рабочих циклов 800—900 (для сравнения: NiCd — 1000 циклов, NiMH — 500)
Аккумуляторы пожароопасны при перезаряде и/или перегреве. (Для борьбы с этим явлением все бытовые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда).
Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года батарея теряет около 20 % ёмкости. Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.
Стоимость выше, чем у Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Сокращается время работы при температуре ниже нуля градусов Цельсия (Чуть больше, чем у Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов)

Эксплуатация литий─полимерных аккумуляторных батарей

Безопасность

Аккумуляторы литиевого типа в целом, и полимерные в частности, требуют довольно деликатного обращения при эксплуатации. Что требуется запомнить при эксплуатации Li─Pol аккумуляторных батарей:

Вреден излишний заряд аккумулятора (выше 4,2 вольта на один аккумуляторный элемент);
Нельзя допускать короткого замыкания;
Недопустим разряд токами, которые приводят к нагреву аккумулятора более 60 градусов Цельсия;
Нельзя разгерметизировать АКБ;
Нельзя разряжать аккумулятор ниже 3 вольт;
Недопустим нагрев выше 60 градусов;
Не допускается хранение в разряженном виде.

Если не соблюдать эти правила, то это может привести к пожару в худшем, и значительной потере ёмкости в лучшем случае.

В связи с этим можно дать несколько рекомендаций по безопасному использованию литий─полимерных аккумуляторов. Для начала следует приобрести качественное зарядное устройство и выставлять на нём корректные настройки. Кроме того, рекомендуется применять разъёмы, которые не допускают короткое замыкание. Обязательно контролируйте ток, который потребляется устройством.

Стоит также отметить, что нужно соблюдать температурный режим и не допускать перегрева полимерной батареи. Это слабое место всех аккумуляторов литиевого типа. Если аккумулятор нагреется до 70 градусов, то в нём начинается самопроизвольная реакция, которая энергию превращает в тепло. В результате воспламенение, а иногда и взрыв. Если есть возможность контролировать напряжение аккумулятора, то за ним особенно пристально нужно следить в конце разрядки.

Ещё одной причиной выхода литиевых АКБ из строя, является разгерметизация. Внутрь полимерной аккумуляторной банки ни в коем случае не должен проникнуть воздух. Изначально корпус герметичен и его не следует подвергать ударам, ронять. Если вы занимаетесь пайкой выводов, то делать это нужно крайне аккуратно.

Перед тем как отправить на хранение полимерную батарею, её рекомендуется зарядить наполовину. Хранить аккумулятор следует в прохладном месте без попадания на него солнечных лучей. Как и все аккумуляторные батареи, литий─полимерные имеют саморазряд, но он меньше, чем у свинцовых или щелочных.
Вернуться к содержанию

Зарядка

Процесс зарядки полимерных аккумуляторов аналогичен зарядке ионных и выполняется достаточно просто. Это делается при постоянном напряжении 4,2 вольта на один элемент с верхним порогом по току 1C. Некоторые «силовые» модели АКБ можно заряжать током до 5C. Зарядка завершается после падения тока до 0,2С. При токе 1C набирается около 80 процентов ёмкости батареи. На полную зарядку Li─Pol аккумулятора требуется примерно 2 часа. Зарядное устройство должно обеспечивать высокую точность поддерживаемого напряжения в конце процесса зарядки. Допуск не более 0,01 вольта. На рынке зарядных устройств (ЗУ) имеется две категории. Простые зарядки по цене 20─50$, которые заряжают только литиевые АКБ. И универсальные ЗУ по цене 80─400$, с помощью которых можно заряжать несколько типов аккумуляторов.

Недорогие ЗУ имеют индикацию на светодиодах. Число банок и ток заряда ставится при помощи переключателей или установки аккумуляторов в разные разъёмы. Их несомненным плюсом является цена. К главным недостаткам следует отнести проблемы с корректным определением завершения зарядки. Такие устройства только отличают переход от стадии заряда постоянным током к заряду постоянным напряжением.

Более дорогие устройства имеют расширенные возможности. Они отслеживают и выводят на информационный дисплей ток, напряжение, ёмкость, набранную аккумулятором.

Это позволяет им более точно отслеживать стадии процесса зарядки и его завершение. Пользователю остаётся только установить число банок и ток заряда. Остальное ЗУ сделает самостоятельно.

Плюсы и минусы литий─полимерных аккумуляторов

Плюсы

Высокая энергетическая плотность;
Полимерные АКБ немного превосходят по сроку службы и ёмкости литиевые аналоги;
Возможность производства аккумуляторов толщиной 1 миллиметр;
Небольшой саморазряд;
Возможность выполнять аккумулятор в различных формах;
Нет эффекта памяти;
Широкий диапазон температур (-20─40С);
Небольшое падение напряжения в процессе разряда.

Литий-полимерная батарея против литий-ионной батареи: факторы, которые следует учитывать

Плотность энергии

Это один из ключевых параметров при сравнении литий-полимерной батареи и литий-ионной батареи. Плотность энергии относится к энергии, которую батарея может хранить на единицу объема или веса. Традиционно считалось, что литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую плотность энергии. Это по сравнению с литий-полимерными батареями. Это означает, что литий-ионные батареи могут хранить больше энергии при заданном объеме или весе.
Достижения в области литиевых технологий за последние годы значительно улучшили их энергетическую плотность. Это сократило разрыв между двумя типами. Литий-полимерные батареи теперь могут обеспечивать конкурентоспособную плотность энергии в зависимости от конструкции. Это преимущество литий-ионных аккумуляторов, особенно в определенных приложениях.

Гибкость и форм-фактор

Одним из существенных преимуществ литий-полимерных аккумуляторов является их гибкость с точки зрения форм-фактора. Твердый или гелеобразный электролит допускает различные форм-факторы и формы. Это помогает создавать фигуры, начиная от тонких плоских ячеек и заканчивая более индивидуальными формами. Их также можно легко интегрировать в различные устройства.
Такая гибкость особенно полезна для тонких и компактных устройств, таких как смартфоны. Они широко используются в умных часах и другой носимой электронике, где пространство ограничено. Литий-полимерные батареи можно более эффективно адаптировать к имеющемуся пространству. Это потенциально улучшает общий дизайн и эстетику устройства.

Сохранность

Безопасность является решающим фактором при оценке аккумуляторных технологий. Литий-ионные батареи связаны с проблемами безопасности. Они включают в себя возможность термического разгона, который может привести к перегреву, возгоранию или даже взрыву. Это связано с жидким электролитом, используемым в традиционных литий-ионных батареях. При определенных условиях он может быть воспламеняющимся.
Благодаря твердому или гелеобразному электролиту литий-полимерные батареи обеспечивают повышенные характеристики безопасности. Отсутствие жидкого электролита снижает риск протечек и температурного разгона. Хотя ни одна батарея не является полностью безопасной, среди литий-полимерных батарей по сравнению с литий-ионными батареями первая считается более безопасной.

Срок службы и надежность

Срок службы — это количество циклов зарядки и разрядки, которым может подвергнуться аккумулятор. Это происходит до того, как его емкость значительно ухудшится. Как литий-полимерные, так и литий-ионные батареи имеют относительно длительный срок службы. Это позволяет использовать его продолжительное время. Однако фактический срок службы может варьироваться в зависимости от конкретного химического состава. Это также зависит от качества изготовления и особенностей использования.
В последние годы литий-полимерные батареи значительно продвинулись по сроку службы. Он конкурирует с литий-ионными батареями. Улучшенные материалы электродов и производственные процессы способствовали повышению их прочности и долговечности. Это делает литий-полимерные батареи надежным выбором для многих применений.

Скорость зарядки и эффективность

Скорость зарядки и эффективность являются важными факторами для пользователей. Это важно для людей, которые ищут быстрые и эффективные решения для зарядки. Литий-полимерный аккумулятор или литий-ионный аккумулятор, оба могут поддерживать быструю зарядку. Однако скорость и эффективность зарядки различаются в зависимости от конкретной конструкции и технологии аккумулятора.
Литий-ионные аккумуляторы исторически известны своей более быстрой скоростью зарядки. Однако достижения в технологии литий-полимерных аккумуляторов закрыли этот пробел. Современные литий-полимерные аккумуляторы теперь поддерживают быструю зарядку. Они часто соответствуют скорости литий-ионных батарей.

Часто задаваемые вопросы: литий-полимерный аккумулятор или литий-ионный аккумулятор

1. Каковы основные компоненты литий-ионных аккумуляторов?

Литий-ионные аккумуляторы состоят из трех основных компонентов:

Анод: обычно изготовленный из графита, анод представляет собой электрод, по которому ионы лития движутся во время разряда.
Катод: Обычные катодные материалы включают оксид лития-кобальта и оксид лития-марганца. Ионы лития перемещаются от катода к аноду во время зарядки.
Сепаратор и электролит. Сепаратор представляет собой пористый материал, который разделяет анод и катод. Это позволяет перемещать ионы лития. Электролит облегчает движение ионов между анодом и катодом.

2. Как работают литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионные аккумуляторы функционируют посредством обратимого электрохимического процесса. Ионы лития мигрируют от катода к аноду через электролит во время зарядки. Ионы лития движутся обратно от анода к катоду во время разряда. Это создает электрический ток, который питает устройство.

3. Каковы основные различия между литий-полимерным аккумулятором и литий-ионным аккумулятором?

Литий-полимерные батареи имеют одни и те же основные компоненты. В литий-ионных батареях (анод, катод и электролит) вместо жидкости используется твердый или гелеобразный электролит. Это обеспечивает более гибкую и универсальную конструкцию. Он допускает различные формы и размеры, в отличие от жесткой конструкции традиционных литий-ионных аккумуляторов.

4. Какой тип аккумулятора имеет более высокую плотность энергии: литий-полимерный или литий-ионный аккумулятор?

Исторически литий-ионные аккумуляторы были известны своей более высокой плотностью энергии. Плотность энергии относится к количеству энергии, которую аккумулятор может хранить на единицу объема или веса. Однако достижения в технологии литий-полимеров значительно улучшили их энергетическую плотность. Это делает их более конкурентоспособными по сравнению с литий-ионными батареями в конкретных приложениях.

5. Какой из литий-ионных аккумуляторов или литий-полимерный аккумулятор безопаснее?

Да, литий-полимерные батареи обычно считаются более безопасными. Это связано с использованием в них твердого или гелеобразного электролита, что снижает риск протечек и термического разгона. Напротив, в традиционных литий-ионных батареях используется жидкий электролит. Он может быть легковоспламеняющимся и при определенных условиях представляет более высокий риск.

6. Какой тип аккумулятора имеет более длительный срок службы: литий-полимерный или литий-ионный?

Как литий-полимерные, так и литий-ионные батареи имеют относительно длительный срок службы. Последние достижения в технологии литий-полимеров увеличили срок их службы. Это делает их более сопоставимыми с литий-ионными батареями. Срок службы — это количество циклов зарядки и разрядки, которым может подвергнуться аккумулятор.

7. Могут ли литий-полимерные батареи заряжаться так же быстро, как литий-ионные?

Литий-ионные аккумуляторы исторически имели преимущество в скорости зарядки. Однако современные литий-полимерные батареи сократили этот разрыв и теперь могут поддерживать быструю зарядку. Достижения в технологии литий-полимерных аккумуляторов позволили им приблизиться к скорости зарядки литий-ионных аккумуляторов. Итак, на данный момент оба литий-ионных аккумулятора заряжаются быстрее, чем полимерные.

8. Какие факторы следует учитывать при выборе между литий-полимерным и литий-ионным аккумулятором?

Выбор между литий-полимерными и литий-ионными аккумуляторами зависит от нескольких факторов:

Форм-фактор и гибкость конструкции. Если устройству требуется определенный форм-фактор или гибкость конструкции, более подходящими могут оказаться литий-полимерные батареи, способные принимать различные формы и размеры.
Требования к плотности энергии: Учитывайте необходимость высокой плотности энергии; исторически литий-ионные аккумуляторы имели преимущество. Однако современные литий-полимерные батареи предлагают конкурентоспособную плотность энергии.
Соображения безопасности: Литий-полимерные батареи часто считаются более безопасными, если безопасность является главным приоритетом. Это связано с их твердым или гелеобразным электролитом.
Требования к конкретному приложению: учитывайте такие факторы, как пространство, вес и скорость зарядки, чтобы определить наилучшее соответствие между двумя технологиями.