Литий-полимерные аккумуляторы — преимущества и недостатки

Литий полимерные аккумуляторы – это модифицированный вариант литий-ионных источников питания. Разница между ними в том, что в качестве электролита используется полимерный материал, куда добавляют токопроводящие включения с соединениями лития. Такие АКБ начали применять относительно недавно для питания телефонов, планшетов, ноутбуков и прочей портативной техники. Вообще, литиевые элементы не выдают высоких токов разрядки, но есть полимерные разновидности, которые отдают тока больше, чем их энергоемкость. Что представляет собой литий полимерная батарея, ее устройство и особенности – об этом в статье.

Устройство

В Li-Ion аккумуляторах применяется жидкий органический электролит, а в Li-Pol – полимерный, за счет чего удалось повысить безопасность эксплуатации элемента. Для литиевых источников питания это весомо, ведь безопасность – то, что сдерживало их развитие. Помимо этого, с полимерным электролитом появилась возможность выбирать форму АКБ.

В основе устройства полимерных аккумуляторов заложен процесс, при котором ряд полимеров переходят в полупроводниковое состояние, когда в них внедряют ионы электролита. Это позволило в разы повысить проводимость. Если отталкиваться от теории, энергетическая плотность аккумуляторов Li-Pol может быть увеличена в несколько раз, в сравнении с Li-Ion. В зависимости от состава электролита литиево полимерный АКБ бывает:

• с электролитом в виде геля. Для этого в структуру полимера добавляют соли лития;
• с сухим электролитом. Основой служит полиэтиленоксид с добавкой разных солей лития;
• с микропористой полимерной матрицей.

Ионная проводимость полимерного электролита меньше, чем у жидкого. И она заметно падает при минусовых температурах. Одна из задач при разработке батарей – подбор состава электролита, чтобы тот имел высокую проводимость. Другая цель – расширить диапазон рабочих температур. Li-Pol батареи, выпускаемые сейчас, в плане эксплуатационных параметров не уступают ионным.

Есть модели аккумуляторов, контейнер которых сделан из металлизированного полимера. Но, полимерный электролит кристаллизуется, что приводит к снижению рабочих параметров при минусовой температуре.

Актуальные разработки – полимерные элементы с анодом из металла. Ученые смогли обеспечить высокую плотность тока и расширить диапазон рабочих температур. Такие батареи сейчас успешно применяются в портативных устройствах, будь то смартфон или другой девайс.

Производителей источников питания немало, и выпускаемая ими продукция отличается материалом электродов, составом электролита и принципом сборки. Соответственно, наблюдается разница и в характеристиках аккумуляторов. Но все компании сходятся в одном: Li-Pol батареи более стабильны, что обеспечивает однородный полимерный электролит.

В конструкцию Li-Pol АКБ входит два электрода – катод и анод. Катод – алюминиевая фольга с напылением лития (например, кобальт лития), а анод сделан из меди, с напылением графита. Между электродами находится полимерная ионопроводящая пленка. В то время в Li-Ion разновидностях вместо пленки применяется пористый сепаратор, пропитанный рабочим раствором.

Электроды, полимерный сепаратор и гель укладывают в фольгированный корпус или нейтральную полимерную пленку. Таким образом увеличивается соотношение энергоемкости к габаритам, а сами батареи получаются куда компактнее и безопаснее, чем ионные. Есть аккумуляторы, толщина которых всего 1 мм.

Принцип работы

В только что изготовленном источнике тока в принципе отсутствует энергия. Его заряжают еще в условиях завода. В ходе подзарядки положительно заряженные ионы лития «уходят» от катода и через сепаратор движутся к аноду, где оседают в кристаллической решетке графита. Когда на аноде не останется свободного места для ионов – зарядка окончена.

Когда литий-полимерный аккумулятор питает прибор, процесс идет в обратном направлении – ионы «уходят» от графита и идут к аноду. Таким образом восстанавливается исходное соединение лития. Все, что остается потребителю – по мере нужны подзаряжать элемент. Принцип работы полимерных батарей идентичен литий-ионным.

Плюсы и минусы литий-полимерных аккумуляторов

Li-Pol АКБ – не идеальные элементы, поэтому их продолжают модернизировать. Прежде чем использовать литий-полимерные батареи, не лишним будет узнать их плюсы и минусы. Из положительных качеств выделяют:

• высокий уровень энергетической плотности;
• увеличенный срок службы и емкость в отличие от ионных аналогов;
• можно делать АКБ толщиной всего 1 мм;
• небольшой саморазряд;
• возможность выбирать форму аккумулятора;
• отсутствует «эффект памяти»;
• диапазон рабочих температур от -20 до +40° С;
• в ходе разряда напряжение падает несущественно;
• устойчивость к токовым перегрузкам, сжатию, вибрациям.

Присущи новой технологии и недостатки:

• цена;
• временное снижение энергоемкости на холоде;
• «стареют» со временем (порядка 20% за 2 года активной эксплуатации).

Полимерные модели все равно пожароопасные при перезаряде или перегреве. Этот фактор нивелируется защитной электроникой, которая контролирует силу тока и температуру.

Области эксплуатации

Обычно Li-Pol батареи применяются как источники питания для устройств, характерных невысоким потреблением тока. Это:

• планшетные компьютеры;
• смартфоны;
• портативные колонки, наушники;
• игрушки на дистанционном управлении;
• электрические инструменты;
• электромобили (литий ферум полимерный вид);
• «умные» часы и т.д.

Есть также «силовые» батареи, предусматривающие быстрый разряд. Они актуальны для устройств с высоким потреблением тока (радиоуправляемые модели).

Основные правила использования

Чтобы полимерный аккумулятор проработал дольше, надо знать, как его правильно использовать. В первую очередь надо позаботиться о надежном зарядном устройстве с подходящими характеристиками. Впрочем, подойдет и универсальное ЗУ, где настройки можно выставить вручную.

Зарядка

Восстановить заряд несложно – так же, как и в случае с литий-ионной АКБ. Напряжение на один элемент ставят 4.2 В, придерживаясь верхнего порога по току в 1С. «Силовые» модели, и то не все, допускают подзарядку токами до 5С. Когда значение упадет до отметки 0.2С – зарядка окончена. 1С = примерно 80% энергоемкости.

Полностью Li-Pol аккумулятор заряжается примерно за пару часов. Важно, чтобы ЗУ стабильно поддерживало напряжение под конец процесса.

Хранение

Срок эксплуатации элементов питания во многом зависит от соблюдения правил хранения:

• батарею, извлеченную из устройства, размещают в сухом месте. Важно, чтобы на корпус не попадали солнечные лучи, вызывая тем самым нагрев;
• если АКБ разряжена и ее оставили на хранение, она может замерзнуть. Оптимальная температура – комнатная;
• рекомендуемый уровень заряженности для хранения – от 40 до 50% (3.6 – 3.8 В);
• если напряжение элемента постоянно падает, для эксплуатации он уже не годится – только утилизация;
• длительное хранение возможно, но перед вводом в эксплуатации надо внимательно осмотреть корпус батареи на наличие дефектов, вздутости.

Хотя бы раз в полгода надо проверять степень заряженности источников питания, оставленных на хранение.

Утилизация

Li-Pol элементы характерны высокой пожароопасностью, что выдвигает ряд требований к утилизации. В сравнении с никель-кадмиевыми аналогами полимерные не так токсичны, но экологии все же навредить могут из-за содержания вредных веществ.

Требования для безопасной утилизации литий-полимерных аккумуляторов:

• разряженные батареи утилизируют в контейнерах из пластика, куда заливают водно-солевой раствор (пол стакана соли на 1 л воды). Понадобится не меньше двух недель (чтобы прекратилось газообразование). После можно просто выбросить, как обычный мусор;
• прежде чем утилизировать, батарею надо разрядить как минимум до 1 В (нагрузкой может служить лампочка);
• разряжать не надо, если корпус с повреждениями. В этом случае сразу помещают в водно-солевой раствор;
• если разряжается токами выше допустимых, элемент помещают в ведро с песком (можно и другое место, главное, чтобы была защита от возгорания);
• необработанные в растворе аккумуляторы не перенесут механического воздействия – загорятся. В особенности это касается моделей, где катод сделан из кобальта.

Биологическим путем компоненты источника питания не разлагаются. Если нет желания утилизировать своими руками, отслужившую батарейку просто сдают в специальный приемный пункт.

Популярные производители

Немало компаний начали делать такие источники питания, поняв их востребованность. Популярны следующие компании-изготовители: Kokam, Thunder Power, Tanic, Platinum Polimer и пр.

К слову, в США Li-Pol АКБ дешевле ввиду большого выбора. Но технический прогресс на месте не стоит, и возможно скоро цена на них приравняется к стоимости литий-ионных батарей.

Литий-полимерные аккумуляторы более безопасны в эксплуатации, так как в них отсутствует жидкий электролит. Встречаются очень тонкие модели (1 – 2 мм), легкие, в мягкой оболочке. Li-Ion аналоги, в свою очередь, привязаны к типоразмерам. Что до эксплуатационных характеристик, полимерные и ионные элементы практически идентичны.