Никель-металлгидридные аккумуляторы
Никель-металлгидридные аккумуляторы (Nickel-Metal-Hydride Battery, сокр. NiMH) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.
Рис. 13. Распространенные NiMH аккумуляторы.
Успех распространению никель-металлгидридных батарей обеспечили высокая энергетическая плотность и нетоксичность материалов, применяемых при их производстве. По сравнению с никель-кадмиевыми современные никель-металлгидридные батареи имеют более высокую — почти на 40 % — энергетическую плотность. Имеется возможность и для дальнейшего ее повышения, но не без некоторых нежелательных побочных эффектов.
Как и никель-кадмиевым, никель-металлгидридным аккумуляторным батареям присущ высокий саморазряд. Если никель-кадмиевые батареи теряют 10 % своей емкости в первые 24 часа после заряда, которая затем снижается примерно на 10 % каждый месяц, то никель-металлгидридные батареи теряют за такое же время в 1,5 раза большую емкость. Подбор металлгидридных материалов, улучшающих водородные связи и уменьшающих коррозию сплава, позволяет уменьшить скорость саморазряда, однако при этом увеличивается цена и снижается энергетическая плотность аккумуляторной батареи.
«Эффект памяти» проявляется значительно меньше, чем у никель-кадмиевых батарей, но нельзя сказать о его отсутствии вообще.
Рис. 14. Конструкция цилиндрического NiMH аккумулятора.
В настоящее время никель-металлгидридные батареи постепенно заменяют никель-кадмиевые при использовании их в качестве источника питания беспроводных средств связи и мобильных компьютеров. И во многих странах этот процесс поддерживается законодательно с целью защиты окружающей среды от вредного воздействия токсичных отходов.
При заряде никель-металлгидридных батарей протекают реакции у положительных пластин:
Ni(OH)2 + ОН- -> NiOOH + Н2О + е-;
у отрицательных пластин:
М + Н2О + е- -> МНП0ГЛ + ОН-,
где М — сплав, поглощающий водород; Нпогл — поглощенный сплавом водород.
При разряде протекают обратные реакции. В качестве поглотителя водорода применяются никель-железные, марганцево-цинковые, марганцево-никелевые и лантано-никелевые сплавы.
Срок службы
Срок службы никель-металлгидридные батарей выше срока службы никель-кадмиевых и составляет примерно 500—1500 циклов.
Хранение
Никель-металлгидридные батареи капризно относятся к повышенной температуре, их следует хранить в прохладном месте заряженными примерно на 40 %. Саморазряд высокий - до 30% в месяц.
Тренировка
Батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) для предупреждения кристаллизации, рекомендованные периоды составляют 60.. 90 дней.
Методика заряда
Методы заряда никель-металлгидридные аккумуляторов повторяют методы заряда для никель-кадмиевых.
Для никель-металлгидридных батарей наиболее предпочтительны методы быстрого заряда, а наименее — нормальный (медленный) заряд. Особенно критичен для них выбор тока струйной подзарядки. Поскольку они плохо поглощают энергию перезаряда, ток струйной подзарядки должен быть существенно меньше, чем для никель-кадмиевых батарей. Для никель-металлгидридных батарей рекомендуется ток струйной подзарядки не более 0,05С. По этой причине зарядные устройства, предназначенные для зарядки никель-кадмиевых батарей непригодны для зарядки никель-металлгидридных, но зарядные устройства никель-металлгидридных батарей можно с успехом применять для зарядки никель-кадмиевых.
Медленный заряд никель-металлгидридных батарей трудно осуществим или вообще невозможен. При токе заряда 0,1...0,ЗС определить конец заряда по скорости нарастания температуры батареи или перепаду напряжения на ней становится невозможным. Поэтому, если устройства медленного заряда и применяют, то единственный способ завершения цикла заряда — отключение по сигналу таймера. Назвать такой метод хорошим нельзя: перезаряд может привести к губительным для батареи последствиям, особенно, если она установлена на зарядку в частично разряженном или в заряженном состоянии. То же самое может иметь место, если, например, заряжать батарею, утратившую свою емкость на 50 % из-за старения: при заряде в течение фиксированного промежутка времени он должен быть рассчитан так, чтобы батарея могла получить 100 % необходимой энергии. А если она способна из этих 100 % взять только 50 %, значит, остальная энергия выделится в виде тепла (произойдет перегрев батареи со всеми вытекающими последствиями).
Процесса заряда никель-металлгидридных аккумуляторных батарей аналогичен рекомендованному процессу заряда никель-кадмиевых аккумуляторов. Ток заряда для них должен быть не менее 0,5С, но не более 1С. Если ток заряда выбрать больше величины 1С, то в результате повышенного выделения газов произойдет принудительная вентиляция ее корпуса: под давлением откроется предохранительный клапан и, возможно, утечка электролита, что приведет к снижению емкости и срока службы батареи.
Если начать заряд полностью разряженной батареи током скоростного заряда (0,5... 1С), то в течение цикла заряда ее емкость полностью восстановить не удастся. Поэтому началу скоростного заряда должен предшествовать инициирующий струйный заряд током 0,2...0,ЗС. Как правило, его время составляет до 10 мин. После того как напряжение на ее элементах достигнет значения 0,8 В, можно начинать заряд током 0,5... 1С. Для прекращения заряда по отрицательному ΔV перепаду напряжения его величина должна составлять не менее 5... 10 мВ на элемент батареи. Для прекращения заряда по увеличению скорости нарастания температуры батареи ее значение должно составлять в среднем 1...2 °С/мин.
Для увеличения срока службы батарей их температура не должна превышать:
• 55 °С для аккумуляторов типоразмеров А, АА и D;
• 50 °С для аккумуляторов типоразмеров QA, ААА и призматических;
• 60 °С для аккумуляторов типоразмеров L-A, L-fatA, SC.
Преимущества и недостатки
Преимущества никель-металлгидридных аккумуляторных батарей:
емкость на 30—40 % выше емкости никель-кадмиевых батарей, и имеется потенциал для увеличения их энергетической плотности;
значительно меньшая, чем у никель-кадмиевых батарей, подверженность «эффекту памяти» (но нельзя сказать о его отсутствии вообще);
простота хранения и транспортировки — не требуется регулярного контроля;
экологически чистые — содержат только очень слабые токсины, возможна вторичная переработка.
Недостатки никель-металлгидридных аккумуляторных батарей:
ограниченный срок службы, особенно при высоких токах нагрузки. Емкость снижается уже после 200—300 циклов заряд/разряд. При эксплуатации более предпочтителен частичный разряд, нежели полный;
ограниченный ток разряда — хотя эти аккумуляторы и допускают высокие токи разряда, повторяющиеся разряды при таких токах существенно снижают срок службы батарей. Наилучшие результаты при эксплуатации батарей получаются в том случае, если ток разряда составляет 0,2...0,5С (С — емкость батареи);
необходимость более сложного алгоритма заряда, поскольку в его процессе выделяется большое количество тепла; высокий саморазряд — почти на 50 % больший, чем у никель-кадмиевых батарей. Новые химические добавки снижают саморазряд, но при этом уменьшается и энергетическая плотность батарей;
при хранении при повышенных температурах емкость батарей снижается. Никель-металлгидридные батареи следует хранить в прохладном месте заряженными примерно на 40 %;
необходимость ухода — батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) для предупреждения кристаллизации; относительно высокие цены — цены на эти батареи в среднем на 20 % больше, чем на аналогичные никель-кадмиевые батареи.
Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы (Lithium Ion Battery, сокр. Li-ion) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.
Рис. 15. Внешний вид некоторых Li-Ion аккумуляторов.
Литий-ионные батареи считаются молодыми - в 1991 г. компания Sony первой в мире начала коммерческий выпуск литий-ионных аккумуляторных батарей. Энергетическая плотность литий-ионных батарей в два раза превышает энергетическую плотность стандартных никель-кадмиевых батарей. Совершенствование, достигаемое подбором активных материалов электродов, в перспективе позволит увеличить это соотношение до трех раз.
Кроме высокой емкости, литий-ионные батареи обладают хорошими нагрузочными характеристиками, похожими на нагрузочные характеристики никель-кадмиевых батарей. Они нетребовательны к обслуживанию настолько, что такая простота в обслуживании недостижима для батарей других типов, что делает их незаменимыми при использовании во многих приложениях.
Высокое напряжение на элементе батареи позволяет производителям выпускать аккумуляторные источники питания, состоящие всего лишь из одного элемента. Такие источники используются во многих моделях современных мобильных телефонов, а простота конструкции упрощает производство батарей. При производстве мощных батарей, состоящих из нескольких элементов, большое преимущество дает очень низкое внутреннее сопротивление литий-ионных элементов.
В последние годы появилось несколько типов литий-ионных батарей, различающихся по конструкции. В оригинальных батареях Sony в качестве материала отрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля). С 1997 г. в большинстве литий-ионных батарей различных производителей (в том числе и Sony) наметилась тенденция к использованию графита. Графитовые пластины позволяют обеспечить более плоскую характеристику напряжения разряда, чем при использовании пластин на основе кокса. В результате аккумуляторные батареи с графитовыми пластинами имеют напряжение конца разряда 3 В на элемент против напряжения конца разряда 2,5 В на элемент для батарей с пластинами из кокса. Кроме того, при использовании в батареях графитовых пластин достижим более высокий ток разряда, они меньше нагреваются и обладают меньшим саморазрядом. На рис. 15. показано устройство литий-ионного аккумулятора в цилиндрическом корпусе.
В качестве положительных пластин литий-ионных батарей применяют сплавы лития с кобальтом или марганцем. И если пластины из литие-кобальтового сплава служат дольше, то литие-марганцевые пластины значительно безопасней и «прощают» ошибки при эксплуатации.
Небольшие призматические литий-ионные аккумуляторные батареи для мобильных телефонов с литие-марганцевыми пластинами имеют встроенные термопредохранитель и термодатчик. Кроме того, их производство удешевляет применение упрощенной схемы защиты, более шикая стоимость сырья, чем для производства батареи с литие-кобальтовыми пластинами.
Что касается экологической безопасности, литий-ионные батареи значительно безопаснее аккумуляторных батареи на основе свинца или кадмия. А среди литий-ионных батарей наиболее безопасны батареи, в которых используется марганец.
Несмотря на все преимущества, такие батареи обладают и недостатками. Они хрупкие и требуют применения специальных схем защиты для обеспечения безопасной работы.
Безопасной работе литий-ионных батарей должно уделяться серьезное внимание. В батареях коммерческого назначения имеются специальные устройства защиты, предупреждающие падение напряжения ниже допустимого значения при разряде и превышение напряжения заряда выше определенного порогового значения, которое, составляет 4,30 В/элемент. Дополнительный элемент защиты обеспечивает прекращение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Наиболее совершенные по конструкции батареи имеют еще один элемент защиты — механический выключатель, который срабатывает при повышении внутрикорпусного давления батареи.
Есть и исключения — литий-ионные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию, при перезаряде процессы металлизации анода и выделения кислорода на катоде происходят настолько вяло, что стало возможным отказаться от использования устройств защиты.
Литий-ионные батареи имеют отличные зарядные характеристики как при высоких, так и при низких температурах. Некоторые из них можно заряжать током 1С при температурах от 0 до 45 °С. Большинство же литий-ионных батарей при низких температурах — от 5 °С и ниже — «предпочитает» меньшие токи заряда. При этом следует избегать заряда при температуре замерзания, т. к. на аноде происходит осаждение металлического лития.
Кроме того, эта схема ограничивает зарядный и разрядный токи, обеспечивает мониторинг температуры батареи, чтобы избежать перегрева. В целом предохранительные меры предупреждают образование металлического лития при перезаряде, опасность вентиляции с выбросом пламени или взрыва.
Перечислим правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов в порядке убывания опасности:
Заряд до напряжения, превышающего 4.20 вольт/банку.
Короткое замыкание аккумулятора.
Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С.
Разряд ниже напряжения 3.00 вольта/элемент.
Нагрев аккумулятора выше 60°С.
Разгерметизация аккумулятора.
Хранение в разряженном состоянии.
Лучшими по соотношению цена/емкость являются цилиндрические литий-ионные аккумуляторные батареи. Чаще всего они применяются в мобильных компьютерах. Если необходима батарея в корпусе тоньше 18 мм, лучший выбор — призматические литий-ионные элементы, хотя они вдвое дороже цилиндрических. При необходимости батарей в сверхтонком корпусе (тоньше 4 мм), лучше всего подойдут литий-полимерные системы.
Количество типов корпусов литий-ионных аккумуляторных батарей ограничено несколькими типоразмерами, из которых наиболее популярен 18650 (18 — диаметр в миллиметрах, 650 — длина, мм • 0,1). Элементы этого типоразмера имеют емкость от 1800 до 2400 мА•ч. Емкость более крупных элементов типоразмера 26650 диаметром 26 мм достигает уже 3200 мА.
Рис. 16. Устройство литий-ионного аккумулятора
Рис. 17. Конструкция литий-ионного аккумулятора в призматическом корпусе
В различных видах цифровой аппаратуры, в том числе и в компьютерной технике, в качестве источника питания энергонезависимой памяти используют таблеточные литий-ионные аккумуляторы. Устройство такого аккумулятора поясняет рис. 18.
Рис. 18. Устройство таблеточного литий-ионного аккумулятора
При заряде литий-ионных батарей протекают реакции:
на положительных пластинах:
LiCoO2 -> Li1-x CoO2 + xLi+ + хе-;
на отрицательных пластинах:
С + xLi+ + хе' -> CLix.
При разряде протекают обратные реакции.
Срок службы
Большинству типов литий-ионных батарей свойственно старение. По неизвестным причинам производители батарей информацию об этом скрывают. Иногда в технических данных пишут о возможности некоторого снижения емкости батареи через один год независимо от того, использовалась она или не использовалась. Через 2—3 года батареи чаще всего выходят из строя. Это, скорее всего, связано с тем, что в веществах, входящих в состав батарей, со временем происходят необратимые химические процессы, приводящие батареи в негодное состояние.
При работе с литий-ионными батареями следует соблюдать меры предосторожности: нельзя замыкать их выводы накоротко, допускать перезаряд, разбирать, прикладывать напряжение обратной полярности, нагревать.
Следует использовать только литий-ионные батареи, имеющие схему защиты. Электролит таких батарей легко воспламеняем.
Хранение
Хранение батарей в прохладном месте замедляет процессы старения литий-ионных батарей так же, как и батарей других типов. Производители рекомендуют хранить батареи при температуре 15 °С. При этом батареи должны быть заряжены.
Для литий-ионных батарей не рекомендуется длительное хранение. Более того, в процессе хранения они должны быть подвержены ротации (т. е. их следует периодически переворачивать). Саморазряд литий-ионных батарей вдвое меньше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей.
Тренировка
У них отсутствует «эффект памяти», для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок службы.
Методика заряда
Зарядные устройства литий-ионных батарей по принципу работы подобны зарядным устройствам свинцово-кислотных батарей — это устройства с ограничением напряжения заряда. Отличия состоят в более высоком напряжении элемента литий-ионной батареи, меньших допустимых отклонениях напряжения заряда и отсутствии необходимости компенсационного заряда (струйной подзарядки) по достижении батареей состояния полного заряда.
В то время как при заряде свинцово-кислотных батарей допускается довольно гибкое определение напряжения отсечки (конца заряда), к величине напряжения отсечки при заряде литий-ионных батарей предъявляются жесткие требования: оно должно быть строго определенного значения.
В начальный период, когда только появились литий-ионные батареи, использующие графитовую систему, требовалось ограничение напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Хотя использование более высокого напряжения позволяет увеличить энергетическую плотность, окислительные процессы, происходившие в элементах такого типа при напряжениях, превышающих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток устранили за счет применения химических добавок, и в настоящее время литий-ионные элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет всего лишь около +/- 0,05 В на элемент.
Литий-ионные батареи промышленного и военного назначения должны иметь больший срок службы, чем батареи для коммерческого применения. Поэтому для них пороговое напряжение конца заряда составляет 3,90 В на элемент. Хотя энергетическая плотность (соотношение кВт•ч/кг) у таких батарей ниже, увеличенный срок службы при небольших размерах, весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность ставят литий-ионные батареи вне конкуренции.
При заряде литий-ионных батарей током 1С время заряда составляет 2—3 ч. В процессе заряда они не нагреваются. Батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно снижается и составляет примерно 3 % от начального тока заряда (рис. 19.).
2,5 Время, ч
Рис. 19. График цикла заряда литий-ионного аккумулятора.
Если на рис. 19. представлен типовой график заряда одного из типов литий-ионных аккумуляторов, производимых компанией Panasonic, то на рис. 20. процесс заряда представлен более наглядно. При увеличении тока заряда литий-ионной батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает быстрее, этап подзарядки после окончания первого этапа цикла заряда длится дольше.
В некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние «готово» сразу после завершения этапа 1. В этой точке она будет заряжена примерно на 70 %, и после этого возможна ее подзарядка.
 Рис. Рис. 20. Обобщенный график цикла заряда литий-ионных аккумуляторов.
Способ струйной подзарядки для литий-ионных аккумуляторов неприменим из-за того, что они не способны поглощать энергию при перезаряде. Более того, струйная подзарядка может вызвать металлизацию лития, что делает работу аккумулятора нестабильной. Напротив, короткая подзарядка постоянным током способна компенсировать небольшой саморазряд батареи и компенсировать потери энергии, вызванные работой ее устройства защиты. В зависимости от типа зарядного устройства и степени саморазряда батареи такая подзарядка может проводиться через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует проводить при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и завершать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент.
А что может произойти при случайном перезаряде литий-ионной батареи? Батареи этого типа могут безопасно работать только при нормальном напряжении заряда. Если оно будет выше нормального, батарея может работать нестабильно и выйти из строя. Это происходит потому, что при превышении значения напряжения заряда 4,30 В/элемент начинает происходить металлизация анода литием, а на катоде происходит активное выделение кислорода, и температура батареи при этом растет.
Заряд полностью разряженных литий-ионных аккумуляторных батарей
Типовое значение напряжения конца разряда для литий-ионных аккумуляторов составляет 3 В на элемент, а упоминаемое выше 2,5 В — это напряжение отсечки, прерывающее процесс дальнейшего разряда. Однако на практике случается, что такие аккумуляторы могут быть совершенно разряжены, когда напряжение имеет значение ниже 2,5 В на элемент. Обычно это происходит при их длительном хранении без подзарядки. В этом случае производители литий-ионных батарей рекомендуют трехступенчатый способ их заряда для перевода в рабочее состояние.
Не все зарядные устройства могут обеспечить зарядку литий-ионных батарей, разряженных до напряжения менее 2,5 В на элемент. Сначала необходимо поднять напряжение на батарее до уровня, достаточного для начала работы зарядного устройства. После этого необходим заряд малым током для восстановления ее емкости. Особую осторожность следует проявлять при возвращении к жизни литий-ионных батарей, которые имели длительный перерыв в эксплуатации и хранились в состоянии глубокого или полного разряда.
В качестве примера приведем рекомендации по зарядке полностью разряженной литий-ионной батареи, применяемой для питания мобильных телефонов Siemens серии 45 (S45, МЕ45). В этих телефонах используется литий-ионная батарея емкостью 840 мА•ч. Роль датчика температуры в ней выполняет терморезистор сопротивлением 22 кОм при t = 25 °С. В целом управление питанием сотового телефона обеспечивает специализированная микросхема (ASIC). Производитель — компания Siemens — четко определил, что нижний предел напряжения, до которого можно разрядить аккумуляторную батарею, составляет 3,2 В, потому что только при напряжении не ниже 3,2 В гарантирована работа мобильного телефона. Напряжение же полностью заряженной батареи составляет 4,2 В.
В случае, если произошел глубокий разряд батареи, зарядить ее как обычно, за 2—3 часа, не удастся. Восстановительный заряд необходимо выполнять в три этапа:
Заряд батареи током 20 мА до напряжения 2,8 В.
Заряд током 50 мА до напряжения 3,2 В.
Нормальный заряд до напряжения 4,2 В.
При полном разряде аккумуляторной батареи процессом ее заряда управляет специализированная (заказная) микросхема ASIC типа D08296B. Причем в данном случае ее источником питания на первых двух этапах заряда является зарядное устройство, а на третьем — уже сама аккумуляторная батарея.
Преимущества и недостатки
Преимущества литий-ионных аккумуляторных батарей:
высокая энергетическая плотность;
низкий саморазряд;
отсутствует «эффект памяти»;
простота обслуживания.
Недостатки литий-ионных аккумуляторных батарей:
необходимость схемы защиты по току и напряжению;
относительно быстрое старение. Хранение батареи в прохладном месте снижает процесс старения примерно на 40 %;
умеренный ток разряда;
проблемы при перевозке больших партий батарей — необходимо согласование;
более высокая цена (на 40 % выше по сравнению с никель-кадмиевыми батареями);
конструкция не доведена до совершенства.
Литий-полимерные аккумуляторы
Литий-полимерные аккумуляторы (Lithium Polymer Battery, сокр. Li-pol) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.
Рис. 21. Внешний вид фольгированных Li-Pol аккумуляторов.
Рис. 22. Внешний вид Li-Pol аккумуляторных батарей из элементов с цилиндрическими корпусами.
Li-pol аккумуляторы имеют примерно такую же плотность энергии, что и Li-ion аккумуляторы.
Li-pol допускают изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место.
В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас на место литий-ионных (Li-ion) пытаются выдвинуться литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы.
NiMH аккумуляторы в какой-то степени сумели потеснить NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, они не сумели обеспечить их полноценной замены.
Литий-полимерные батареи отличаются от обычных литий-ионных аккумуляторных батарей видом используемого электролита. Разработанные в 1970-х годах, они используют только твердый сухой электролит из полимера, который похож на пленку из пластика, не проводящую электрический ток, но обеспечивающую ионообмен (т. е. пропускающую через себя ионы — электрически заряженные атомы или группы атомов). Полимерный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитываемый жидким электролитом. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка электролита невозможна.
Сухой полимер позволяет упростить производство, улучшить безопасность аккумуляторных батарей этого вида и добиться их тонкопрофильной геометрии. При этом исчезает опасность воспламенения батарей, поскольку в них не используется жидкий или гелеобразный электролит.
С появлением элементов литий-полимерных аккумуляторных батарей толщиной всего в 1 мм перед конструкторами аппаратуры открылись новые возможности в отношении конечной формы и размеров новых электронных устройств. Были сняты многие ограничения касательно микроминиатюризации радиоэлектронных устройств. Новые микроэлементы питания для коммерческого использования появились на рынке всего несколько лет назад.
По сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая к тому же понижается при температуре ниже нуля. Хотя нагрев элемента таких батарей до 60 °С и выше и увеличивает проводимость до необходимых значений, такой способ снижения их внутреннего сопротивления не пригоден для коммерческих приложений. Поэтому проблема разработок Li-pol аккумуляторов состояла не только в поиске электролита с достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными материалами, но и в расширении температурного диапазона Li-pol аккумуляторов.
Исследования в области усовершенствования характеристик литий-полимерных батарей при работе в условиях температур, близких к комнатным, продолжаются.
В то же время литий-полимерные аккумуляторные батареи в настоящее время успешно применяются в источниках резервного питания в странах с жарким климатом. Чаще всего они заменяют свинцово-кислотные батареи (VRLA), которые критичны к работе в условиях высоких температур.
Иногда для снижения внутреннего сопротивления литий-полимерных батарей применяют в них добавку гелевого электролита. Большинство литий-полимерных батарей, используемых для питания мобильных телефонов, на самом деле являются гибридными, представляющими собой нечто среднее между литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, и в них используется гелевый электролит. Правильное название таких батарей — литий-ионные полимерные батареи, хотя в рекламных целях многие производители называют их литий-полимерными.
Какова же разница между литий-ионными и литий-полимерными батареями с гелевым электролитом? Хотя их характеристики и близки, в литий-полимерных батареях вместо сепараторов применяется твердый электролит. Добавленный в них гелевый электролит предназначен просто для улучшения ионообменных процессов и, таким образом, снижения внутреннего сопротивления.
В настоящее время все возможные преимущества литий-полимерных батарей пока еще не реализованы: не достигнута их более высокая емкость — она пока все еще меньше емкости литий-ионных батарей, их производство дороже производства тех же литий-ионных батарей. Тем не менее, из-за возможности значительного уменьшения толщины литий-полимерных батарей интерес к ним, прежде всего производителей мобильных телефонов, не исчез. Конструкция корпусов для таких батарей более проста, для их производства необходима фольга, которая используется в пищевой промышленности. Нормы на размеры элементов литий-полимерных батарей пока не разработаны.
Однако, учитывая, что уже реально показаны возможности создания литий-полимерных аккумуляторов в широком диапазоне емкостей, и тот факт, что при всех стандартных тестах на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание гвоздем) Li-pol аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом. Перспективы серьезного расширения производства Li-pol аккумуляторов и использования их в самых разнообразных областях техники не вызывают сомнений.
При заряде и разряде литий-полимерных батарей протекают реакции, аналогичные таковым в литий-ионных аккумуляторах.
Срок службы
Срок службы таких аккумуляторов составляет от 1000 до 2000 циклов заряд-разряд.
Хранение
При хранении аккумуляторы следует подвергать ротации, т. е. их следует периодически переворачивать.
Тренировка
У этих аккумуляторов отсутствует «эффект памяти», для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок службы.
Методика заряда
Процесс заряда литий-полимерных батарей подобен заряду литий-ионных батарей. В литий-полимерных батареях используется сухой электролит. Время их заряда составляет 3...5 ч. Литий-полимерные батареи с гелевым электролитом чаще всего классифицируют как литий-ионные, и их процессы заряда аналогичны.
Большинство зарядных устройств предназначены для зарядки как литий-ионных, так и литий-полимерных батарей. Так что потребителю нет необходимости задумываться, какую батарею он использует.
В настоящее время большинство литий-ионных батарей коммерческого назначения на самом деле представляет собой литий-полимерные батареи с гелевым электролитом, и недорогие литий-полимерные батареи с сухим электролитом через несколько лет будут ими вытеснены.
Преимущества и недостатки
Преимущества литий-ионных полимерных батарей:
очень малая толщина, сравнимая с толщиной кредитной карты;
гибкий форм-фактор — производителям не обязательно привязываться к каким-то стандартным размерам, батареи могут выпускаться любого разумного размера и формы;
малый вес — гелевый электролит намного легче жидкого, его применение позволяет упростить конструкцию корпуса и отказаться от металлической оболочки корпуса элемента;
лучшая безопасность при эксплуатации — батареи устойчивы к перезаряду, в них не может произойти утечка электролита.
Недостатки литий-ионных полимерных батарей:
более низкая энергетическая плотность и меньший ресурс по сравнению с литий-ионными батареями, хотя возможности для их совершенствования далеко не исчерпаны;
дороговизна производства, однако при массовом производстве цены на литий-полимеры снизятся.
Поскольку литий-ионные полимерные батареи имеют плоскую структуру, в цилиндрических корпусах они не выпускаются.
|
