Химические источники тока – Li-ion, Li-pol аккумуляторы (Li-ion battery)

Аккумулятор - это высокотехнологичная композитная конструкция - прибор, преобразующий химические реакции в электрическую энергию.

В современных электроприборах и электронике наибольшую популярность среди аккумуляторов получили литий-ионные Li-ion LiFePO4, литий-полимерные Li-pol, LiPo. Различие между ними – в типе используемого электролита. В литий-ионных аккумуляторах Li-Ion – это гелиевый электролит, в литий-полимерных LiPo специальный полимер, насыщенный литийсодержащим раствором. Данные химические источники тока, постепенно вытесняют с рынка Ni-Cd никель-кадмиевые и Ni-MH никель-металл-гидридные аккумуляторы.

Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются высоким напряжением, и превосходной емкостью.

В природе литий проник более чем в 150 минералов, из них около 30 стали собственными минералами лития. Промышленное значение приобрели только пять: сподумен LiAl [Si2O6], лепидолит Kli1,5Al1,5[Si3AlO10] (F, OH)2, петалит – минерал, в котором литий обнаружен впервые, LiAl [Si4O10], амблигонит LiAl [PO4] (F, OH) и циннвальдит KLi (Fe, Mg) Al•[Si3AlO10] (F, OH)2.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно в несколько раз превышает плотность стандартных NiCd и NiMH аккумуляторов. Благодаря применению новых активных материалов это превосходство ежегодно увеличивается. Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично никелевым аккумуляторам, форма их разрядных характеристик похожа и отличается лишь напряжением.

Высокая стоимость Li-ion аккумуляторов привели учёных к созданию литий-полимерного аккумулятора Li-pol или Li-po. 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, благодаря чему они имеют гибкую пластиковую оболочку, имеют меньший вес, большую токоотдачу и могут быть использованы в качестве силовых аккумуляторов для устройств с мощными электродвигателями.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется более высокой безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. Минимальная толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Основные преимущества Li-ion и Li-Po аккумуляторов

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости никелевые NiCd и Ni-MH аккумуляторы

Низкий саморазряд
Высокое напряжение единичного элемента 3.6-3.7V против 1.2V-1.4 у NiCd и NiMH, что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители применяют в различных компактных электронных устройствах, таких как: мобильные телефоны, коммуникаторы, навигаторы и др., именно такой одноэлементный аккумулятор.
Толщина элементов от 1 мм.
Возможность получать гибкие формы.

Технологии производства литиевых аккумуляторов не стоят на месте, производители аккумуляторов с каждым месяцем наращивают их характеристики за счёт внедрения новых технологических процессов производства.

Из всего многообразия литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы — быстро-разрядные Hi Discharge и обычные. Отличаются они между собой максимальным разрядным током — его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой буквой «С».

Области применения Li-Po аккумуляторов

Применение Li-Po аккумуляторов позволяет решить две важные задачи — увеличить время работы устройств и снизить вес батареи

Обычные Li-Po аккумуляторы применяются в качестве источников питания в электронных устройствах с относительно небольшим токопотреблением мобильные телефоны, коммуникаторы, ноутбуки, ИБП, цифровая аппаратура.

Быстро-разрядные литий-полимерные аккумуляторы часто называют силовыми — такие аккумуляторы применяются для питания устройств с высоким токопотреблением. Ярким примером применения силовых Li-Po аккумуляторов являются радиоуправляемые модели с электродвигателями и современные гибридные автомобили, электроинструмент. Именно в этом сегменте рынка происходит основная конкурентная борьба различных производителей Li-Po аккумуляторов.

Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают никелевым — это область супервысоких 40-50С разрядных токов. По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH. Однако в этом сегменте рынка уже появились конкуренты — литий-фосфатные аккумуляторы Li-FeРО4, технология производства которых развивается с каждым днём.

Зарядка Li-Po аккумуляторов

Заряд большинства Li-Po аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму — от источника постоянного напряжения 4.20V/элемент с ограничением тока в 1С некоторые модели современных силовых Li-Po аккумуляторов позволяют заряжать их током в 5С. Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. До перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1C аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 1-2 часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда — не хуже 0,01 V/банку.

Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить два основных типа — простые, не компьютерные зарядные устройства , предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные зарядные устройства , предназначенные для обслуживания различных типов аккумуляторов.
Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками или путём подключения аккумулятора к различным разъемам на зарядном устройстве. Достоинство таких зарядных устройств — низкая цена. Главный недостаток — некоторые из таких устройств не умеет правильно определять окончание заряда. Они определяют лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости.

У второй группы зарядных устройств возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток, и емкость в мАч, которую аккумулятор принял в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор. При использовании зарядного устройства самое главное — правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда, который, как правило, равен 1C.