Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори

Літій-іонні і літій-полімерні акумулятори . Світильник абсолютно нового покоління з літій-полімерним акумулятором, Ви можете придбати тут. Стильний представник світлодіодного освітлення з літій-іонним акумулятором Ви можете побачити і придбати при бажанні ТУТ. Інженерна думка безперервно розвивається: її стимулюють постійно виникають проблеми, що вимагають для свого рішення розробки нових технологій. Свого часу на зміну нікель-кадмієвий (NiCd) акумуляторам прийшли нікель-металгідридні (NiMH), а зараз місце літій-іонних (Li-ion) намагаються зайняти літій-полімерні (Li-pol) акумулятори. NiMH акумулятори в якійсь мірі потіснили NiCd, але в силу таких незаперечних переваг останніх, як здатність віддавати великий струм, низька вартість і тривалий термін служби, не змогли забезпечити їх повноцінної заміни. А ось як йде справа з літієвими акумуляторами? Які їх особливості і чим відрізняються Li-pol акумулятори від Li-ion? Спробуємо розібратися в цьому питанні. Як правило, всі ми при купівлі мобільного телефону або портативного комп'ютера не замислюємося про те, який акумулятор у них всередині і що взагалі розрізняються ці пристрої. І тільки потім, зіткнувшись на практиці з споживчими якостями тих чи інших акумуляторів, починаємо аналізувати і вибирати. Тим, хто поспішає і бажає відразу отримати відповідь на питання, який акумулятор є оптимальним для стільникового телефону, я відповім коротко — Li-ion. Подальша інформація призначена для допитливих. Для початку невеликий екскурс в історію. Перші експерименти по створенню літієвих батарей почалися в 1912 році, але тільки через шість десятиліть, на початку 70-х років, вони вперше були впроваджені в побутові пристрої. Причому, підкреслю, це були саме батареї. Пішли слідом за цим спроби розробити літієві акумулятори (елементи живлення що перезаряджаються) виявилися невдалими з-за проблем, пов'язаних із забезпеченням безпеки їх експлуатації. Літій, самий легкий із усіх металів, має найбільший електрохімічний потенціал і забезпечує найбільшу щільність енергії. Акумулятори, що використовують літієві металеві електроди, характеризуються високою напругою, і чудовою ємністю. 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, в результаті яких зменшується теплова стабільність і з'являється загроза виходу теплового стану з-під контролю. Коли це відбувається, температура елемента швидко наближається до точки плавлення літію — і починається бурхлива реакція з 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. Через властивої 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 зазвичай вдвічі перевищує щільність стандартних NiCd [1], а в перспективі, завдяки застосуванню нових активних матеріалів, передбачається ще більше збільшити її і досягти триразового переваги над NiCd. На додаток до великої ємності Li-ion акумулятор при розряді веде себе аналогічно NiCd (форма їх розрядних характеристик подібна і відрізняється лише напругою). На сьогоднішній момент існує безліч різновидів Li-ion акумуляторів, причому можна довго говорити про переваги й недоліки того чи іншого типу, але відрізнити їх за зовнішнім виглядом неможливо. Тому відзначимо тільки ті переваги і недоліки, які притаманні усім типам цих пристроїв, розглянемо причини, що 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 — найчастіше акумулятор складається тільки з одного елемента. Багато виробників сьогодні застосовують в стільникових телефонів саме такий одноэлементный акумулятор (згадайте Nokia). Однак, щоб забезпечити ту ж саму потужність, необхідно віддати більш високий струм. А це вимагає забезпечення низького внутрішнього опору елемента. Низька вартість обслуговування (експлуатаційних витрат) ― результат відсутності ефекту пам'яті, що вимагає періодичних циклів розряду для відновлення ємності. Недоліки. Для акумулятора потрібно вбудована схема захисту (що веде до додаткового підвищення його вартості), яка обмежує максимальну напругу на кожному елементі батареї під час заряду і оберігає напруга елемента від занадто низької зниження при розряді. Крім того, вона обмежує максимальні струми заряду, розряду і контролює температуру елемента. У 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. Незначне зменшення ємності стає помітним вже через рік незалежно від того, перебував акумулятор в експлуатації чи ні. Через два або три роки він часто стає непридатним до використання. Втім, акумулятори інших електрохімічних систем також мають вікові зміни з погіршенням своїх параметрів (це особливо справедливо для NiMH, схильних до впливу високої температури навколишнього середовища). Для зменшення процесу старіння зберігайте заряджений приблизно до 40% від номінальної ємності акумулятор в прохолодному місці окремо від телефону. Більш висока вартість в порівнянні з NiCd акумулятори. Утруднене швидке тестування [1] акумуляторів (наприклад, на аналізаторі Cadex C7xxx), оскільки технологія їх виготовлення до кінця ще не відпрацьована і постійно змінюється. Технологія виготовлення Li-ion акумуляторів постійно поліпшується. Вона оновлюється приблизно кожні шість місяців, і зрозуміти, як «ведуть себе» нові акумулятори після тривалого зберігання, важко. Словом, усім було б Li-ion акумулятор гарний, якби не проблеми з забезпеченням безпеки його експлуатації і висока вартість. Спроби вирішення цих проблем і призвели до появи літій-полімерні (Li-pol або Li-polymer) акумуляторів. Основна їх відмінність від Li-ion відображено у назві і полягає в типі використовуваного електроліту. Спочатку, в 70-х роках, застосовувався сухий твердий полімерний електроліт, схожий на пластикову плівку і не проводить електричний струм, але допускає обмін іонами (електрично зарядженими атомами або групами атомів). Полімерний електроліт фактично замінює традиційний пористий сепаратор, просоченим електролітом. Така конструкція спрощує процес виробництва, характеризується більшою безпекою і дозволяє випускати тонкі акумулятори довільної форми. До того ж відсутність рідкого або гелевого електроліту виключає можливість займання. Товщина елемента становить близько одного міліметра, так що розробники обладнання вільні у виборі форми, обрисів і розмірів, аж до впровадження його у фрагменти одягу. Але поки, на жаль, сухі Li-polymer акумулятори володіють недостатньою електропровідністю при кімнатній температурі. Внутрішній опір їх дуже високо і не може забезпечити величину струму, необхідну для сучасних засобів зв'язку та електроживлення жорстких дисків переносних комп'ютерів. У той же час при нагріванні до 60 °C і більше електропровідність Li-polymer збільшується до прийнятного рівня, однак для масового використання це не годиться. Дослідники продовжують розробку Li-pol акумуляторів з сухим твердим електролітом, які працюють при кімнатній температурі. Подібні акумулятори, як очікується, стануть комерційно доступними до 2005 року. Вони будуть стабільними, допускати 1000 повних циклів заряду-розряду і мати більш високу щільність енергії, ніж сьогоднішні Li-ion акумулятори Тим часом деякі види Li-pol акумуляторів в даний час використовуються в якості резервних джерел живлення в жаркому кліматі. Наприклад, частина виробників спеціально встановлює нагріваючі елементи, що підтримують сприятливу для акумулятора температуру. Ви запитаєте: як же так? На ринку щосили продають Li-polymer акумулятори, виробники комплектують ними телефони і комп'ютери, а ми тут говоримо, що для комерційної експлуатації вони поки не готові. Все дуже просто. В даному випадку мова йде про акумулятор 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 маркують їх просто як Li-polymer. Зупинимося детальніше на цьому типі літій-полімерних акумуляторів, оскільки на даний момент саме вони становлять найбільший інтерес. Отже, в чому відмінність між Li-ion і Li-polymer акумулятор з добавкою гелеобразного електроліту? Хоча характеристики та ефективність обох систем багато в чому схожі, унікальність Li-ion полімерного (можна і так назвати) акумулятора полягає в тому, що в ньому все ж використовується твердий електроліт, який замінює пористий сепаратор. Гелевий електроліт додається тільки для збільшення іонної електропровідності. Технічні труднощі і затримка в нарощуванні обсягів виробництва затримали впровадження Li-ion полімерних акумуляторів. Це викликано, на думку деяких експертів, бажанням інвесторів, що вклали великі гроші в розробку й масове виробництво Li-ion акумуляторів, отримати свої інвестиції назад. Тому вони й не поспішають переходити на нові технології, хоча при масовому виробництві Li-ion полімерні акумулятори будуть дешевше літій-іонних. А тепер про особливості експлуатації Li-ion і Li-pol акумуляторів. Їх основні характеристики дуже схожі. Про заряді Li-ion акумуляторів досить докладно розказано в статті [2]. У додавання наведу лише графік (Рис.1) з [3], ілюструє стадії заряду, і невеликі пояснення до нього. Час заряду всіх Li-ion акумуляторів при початковому зарядному струмі в 1С (чисельно дорівнює номінальному значенню ємності акумулятора) становить в середньому 3 години. Повний заряд досягається при напрузі на акумуляторі, рівному 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, процес заряду складається з двох стадій. На першій (годину з невеликим) напруга зростає при майже постійному початковому струмі заряду в 1С до моменту першого досягнення верхнього порогу напруги. До цього моменту акумулятор заряджається приблизно на 70% від своєї ємності. На початку другого етапу напруга залишається майже постійним, а струм зменшується до тих пір, поки не досягне вищевказаних 3%. Після цього заряд повністю припиняється. Якщо потрібно підтримувати акумулятор весь час в зарядженому стані, то підзаряд рекомендується проводити через 500 годин, або 20 днів. Зазвичай його проводять при зменшенні напруги на висновках акумулятор до 4.05 і припиняють при досягненні 4.2 Кілька слів про температурному діапазоні при заряді. Більшість різновидів Li-ion акумуляторів допускають заряд струмом в 1С при температурі від 5 до 45 °C. При температурі від 0 до 5 °C рекомендується заряджати струмом в 0.1 С. Заряд при мінусовій температурі заборонений. Для заряду оптимальна температура від 15 до 25 °C. Зарядні процеси в Li-polymer акумулятор майже ідентичні вищеописаним, тому споживачеві зовсім ні до чого знати, який з двох типів акумуляторів у нього в руках. І всі ті зарядні пристрої, які він використовував для Li-ion акумуляторів, годяться для Li-polymer. А тепер про умови розряду. Зазвичай Li-ion акумулятори розряджають до значення 3.0 В на елемент, хоча для деяких різновидів нижній поріг становить 2.5 Ст. Виробники обладнання з живленням від акумуляторів, як правило, розробляють пристрої з порогом виключення 3.0 (на всі випадки життя). Що це означає? Напруга на акумуляторі при включеному телефоні поступово зменшується, і як тільки воно досягне 3.0, апарат попередить вас і вимкнеться. Однак це зовсім не означає, що він перестав споживати енергію від акумулятора. Енергія, нехай незначна, потрібна для визначення натискання клавіші включення телефону і деяких інших функцій. Крім того, енергію споживає власна внутрішня схема управління і захисту, так і саморозряд, хоч і невеликий, але все ж характерний навіть для акумуляторів на основі літію. В результаті, якщо залишити літієві акумулятори на тривалий термін без підзарядки, напруга на них впаде нижче 2.5 В, що дуже погано. У цьому випадку можливе відключення внутрішньої схеми керування і захисту, і не всі зарядні пристрої зможуть зарядити такі акумулятори. Крім того, глибокий розряд негативно позначається на внутрішній структурі самого акумулятора. Повністю розряджений акумулятор повинен заряджатися на першому етапі струмом всього у 0.1 C. Словом, акумулятори швидше люблять перебувати в зарядженому стані, ніж у розрядженому. Кілька слів про температурні умови при розряді (читай під час роботи). Як правило, Li-ion акумулятори найкраще функціонують при кімнатній температурі. Робота в більш теплих умовах серйозно скорочує термін їх служби. Хоча, наприклад, свинцево-кислотний акумулятор має саму високу ємність при температурі понад 30 °C, але тривала експлуатація в таких умовах скорочує життя акумулятора. Точно так само і Li-ion краще працюють при високій температурі, яка спочатку протидіє збільшення внутрішнього опору акумулятора, що 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. такі акумулятори зайняли свою нішу на ринку резервних джерел в місцях з жарким кліматом. Вони поміщаються в теплоізольований корпус з вбудованими елементами нагрівання, що харчуються від зовнішньої мережі. Li-ion полімерні акумулятори в якості резервних, як вважають, перевершують по ємності і довговічності VRLA акумулятори, особливо в польових умовах, коли управління температурою неможливо. Але їх висока ціна залишається стримуючим фактором. При низьких температурах ефективність акумуляторів всіх електрохімічних систем різко падає. У той час як для NiMH, SLA та Li-ion акумуляторів температура -20 °C є межею, при якому вони припиняють функціонувати, NiCd продовжують працювати до -40 °C. Зазначу тільки, що мова знову ж таки йде тільки про акумулятор широкого застосування. Важливо не забувати, що, хоча акумулятор і може працювати при низьких температурах, це зовсім не означає, що він може бути також заряджений в цих умовах. Сприйнятливість до заряду у більшості акумуляторів при дуже низьких температурах надзвичайно обмежена, і струм заряду в цих випадках повинен бути зменшений до 0.1 C. На закінчення хочу зазначити, що поставити питання та обговорити проблеми, пов'язані з Li-ion, Li-polymer, а також іншими типами акумуляторів, можна на форумі [4] у подфоруме по аксесуарам.