Литий полимерный аккумулятор что это такое
Литий-полимерный аккумулятор – плюсы и минусы
Статья обновлена: 2020-12-17
Статья обновлена: 26.11.2020
Литий-полимерные аккумуляторы – это современные элементы питания с отличными эксплуатационными характеристиками. Они стали новой ступенью развития литий-ионной технологии. Аккумуляторы типа Li-Polymer применяются в смартфонах, планшетах, электронных книгах, квадрокоптерах, моделях на радиоуправлении, портативных электроинструментах и другой технике.
Использование полимерного электролита повышает безопасность использования аккумуляторов, предоставляет свободу форм и размеров, в т. ч. позволяет получать сверхтонкие модели.
Изначально Li-Pol элементы питания уступали Li-ion аналогам по ионной проводимости и диапазону допустимых температур. Но модели обоих типов, используемые в современной технике и электронике, по рабочим характеристикам практически идентичны.
Особенности Li-Pol технологии
Главное отличие Li-Pol моделей от Li-ion аналогов состоит в типе применяемого электролита. При производстве накопителей энергии категории Li-ion катод и анод разделяют пористым сепаратором. В его порах содержится жидкий электролит. У элементов питания категории Li-Pol роль электролита выполняет полимер с токопроводящими добавками.
Основой для производства Li-Polymer аккумуляторов стали полимеры, которые при внедрении в их структуру ионов электролита переходят в полупроводниковое состояние с многократным возрастанием проводимости.
Ученым удалось создать несколько групп Li-Po аккумуляторов с разным составом электролита:
Характерным отличием Li-Polymer батарей является гибкая форма и мягкая оболочка вместо жесткого корпуса. Эта особенность обеспечивает элементам питания более легкий вес – на 20% по сравнению с Li-ion аналогами.
Принцип работы
По принципу работы Li-Po и Li-ion аккумуляторы идентичны. Заряд переносят ионы лития, которые перемещаются от катода к аноду и обратно, внедряясь в молекулярную структуру материалов. При зарядке элементов питания ионы Li + переходят от катода к аноду, а при разрядке – в обратном направлении. Проводящей средой для ионов Li+ служит полимер с включенными в его состав добавками из солей лития. Напряжение Li-Po ячеек в разряженном состоянии составляет от 2,7 до 3 В, а в заряженном – достигает 4,2 В.
Плюсы и минусы литий-полимерных батарей
Экспериментируя с используемыми материалами катода, анода и электролита, ученые добились повышения плотности тока и увеличения температурного диапазона Li-Po ячеек. У разных брендов технологии изготовления Li-Pol аккумуляторов. Поэтому и характеристики элементов питания отличаются. Но в целом плюсами литий-полимерных аккумуляторов являются:
Минусами литиево-полимерных аккумуляторов считается их относительно высокая цена, временное снижение емкости на морозе и подверженность естественной деградации – старению. Как и все элементы питания на основе лития, Li-Polymer модели постепенно теряют свою емкость – около 20% за 2 года активной работы.
Типы Li-Po батарей
В зависимости от допустимых разрядных токов Li-Po батареи делятся на 2 группы:
Правила эксплуатации
Чтобы продлить срок службы Li-Poly батареи, нужно четко соблюдать рекомендации по ее эксплуатации. Прежде всего, необходимо использовать надежное зарядное устройство с подходящими параметрами. На универсальном ЗУ важно корректно выставлять настройки – напряжение 4,2 В на элемент и ток до 1С. Для силовых моделей допустим зарядный ток до 5С. Также для сохранения работоспособности Li-Po батареи важно:
При нарушении правил эксплуатации элементы питания быстро теряют емкость. При перегреве до 70 °С происходит самопроизвольная реакция, преобразующая энергию в тепло. В результате аккумулятор может воспламениться. Но при соблюдении правил использования Lo-Po элементы они абсолютно безопасны, эффективно справляются со своими задачами и радуют долгим сроком службы.
Какую батарею выбрать: Li-Pol или Li-ion?
Из-за отсутствия жидкого электролита Li-Po батареи считаются более безопасными в использовании. В отличие от Li-ion элементов, они не привязаны к стандартным типоразмерам, бывают очень тонкими – от 1–2 мм, выполняются в мягкой оболочке и имеют более легкий вес. В остальном Li-Pol и Li-ion батареи практически идентичны.
Поэтому выбор зависит преимущественно от требований к весу и толщине аккумулятора. Если нужен сверхтонкий и легкий источник питания, преимущество отдается полимерным моделям. В остальных случаях обычно используются Li-ion батареи.
Что лучше, литий-ионный или литий-полимерный аккумулятор?
Портативные зарядные устройства стали неотъемлемым элементом современного обихода. Качество аккумуляторов – главное условие их работоспособности, эффективности и безопасности. Производители зарядных устройств используют в конструкции два вида аккумуляторов – литий-ионный и литий-полимерный. Для рядового потребителя, незнакомого с особенностями разных видов, часто становится проблемой выбрать тот или иной тип аккумулятора.
В чем отличие между этими разновидностями, какой из них выбрать будет правильнее – все эти вопросы требуют детальных знаний о каждом типе. В этой статье мы раскроем особенности литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, познакомим с их техническими свойствами, методами зарядки, сроком службы.
↑Отличия литий-ионного и литий-полимерного аккумуляторов
Выбирая один из двух видов, учитывайте сферу применения и финансовые возможности.
↑Литий-ионные аккумуляторы: особенности и характеристики
Изначально модели на базе лития выпускались с применением марганца и кобальта в качестве основного элемента (активный электролит). Современные батареи литий-ионного типа претерпели конструктивные изменения. Их продуктивность зависит не от использованного вещества, а от порядка размещения элементов в блоке. Составные части современной батареи Li-Ion – электроды и сепаратор. Материалы – алюминий и медь (медные аноды и алюминиевая фольга в качестве катодной основы).
Специальные клеммы-токосъемники обеспечивают внутреннее соединение анода и катода, а электролитная пропитка массы сепаратора задает благоприятную среду для обслуживания заряда. Положительные заряды ионов лития запускают химические реакции, формируют связи и обеспечивают выход энергии. Принцип действия источника питания на литий-ионной базе напоминает работу полноформатной гелевой АКБ.
Литий-полимерные батареи
Поскольку литий-ионные модели не справляются со многими современными задачами, постепенно их начали вытеснять полимерные элементы. Батареи Li-ion не обладали высоким уровнем безопасности и довольно дорого стоили. Чтобы устранить эти недостатки и проблемы эксплуатации, сделать батареи более эффективными, разработчики приняли решение о смене электролита. Вместо пропитки пористого сепаратора в конструкции батареи применили полимерные электролиты.
Литий-полимерный элемент имеет толщину 1 мм, что позволяет сделать размеры аккумулятора компактными. Замена жидких электролитов полимерными пленками исключило высокий риск воспламенения батареи и сделало ее безопасной. Представленная ниже сравнительная таблица поможет наглядно определить, чем отличается Li-ion от Li-Pol.
низкая, количество циклов заряда и разряда меньше
высокий выбор, независимость от стандартного формата ячеек
почти в два раза выше при одинаковом размере
Риск взрыва и возгорания
встроенная защита от утечки электролитов и перезарядов
Конструкция полимерно-литиевых аккумуляторных устройств полностью исключает присутствие электролита в форме жидкости или геля. Наглядно представить себе разницу технологий можно при рассмотрении принципа работы современных автомобильных питающих устройств. Интересы безопасности стали причиной исключения из повседневной практики жидкостных электролитов. Но в автомобильных АКБ до последнего времени использовались пористые структуры с пропиткой.
Внедрение полимерно-литиевых элементов предполагало уже твердотельную основу. Характерным отличием от литий-ионных аккумуляторов является процесс контактного действия пластины активного вещества с литием и предотвращение образования дендритов во время циклирования. Именно эта особенность защищает аккумуляторные элементы от возгорания или взрыва.
↑Срок службы
Как литий-ионные, так и литий-полимерные аккумуляторы подвержены интенсивному старению. Они обеспечивают около девятисот полных циклов зарядки, после чего становятся непригодными. При этом не имеет значение, насколько активной была эксплуатация устройства. Если батарею длительное время вообще не использовали, сокращение ресурса, тем не менее, будет иметь место.
Уже через год емкости становятся существенно уменьшенными в ресурсе, а через два или три года можно констатировать, что батарея и вовсе вышла из строя. Это общий недостаток литиевых аккумуляторов, и выбирать более долговечную модель стоит только в зависимости от репутации производителя и отзывов о конкретных моделях.
↑Дополнительная защита
Если рассматривать вопрос о том, в чем разница Li-ion от Li-Pol аккумуляторов, стоит обратить внимание на встроенные защитные системы. Модели, работающие на полимерно-литиевой основе, требуют использования дополнительных функций внутренней защиты. Для них характерны случаи перегорания из-за перегрева элементов. К таким последствиям приводит внутреннее напряжение различных рабочих участков.
Для того, чтобы обезопасить устройство от несанкционированных перезарядов, от перегрева деталей и перегорания, в конструкции использована специальная стабилизирующая система и механизм ограничения тока. Это повышает безопасность литий-полимерных моделей, но ощутимо повышает стоимость аккумулятора за счет использования защитных элементов.
Частично в конструкции задействованы электролитические компоненты в гелевой формации. Комбинированные элементы питания используются во многих портативных приборах. Они крайне чувствительны к температурным перепадам и требуют строгого соблюдения правил эксплуатации. Аккумулятор на полимерной базе можно использовать в устройствах с нагревом в диапазоне 60-100 градусов.
Производители заключают внутреннюю часть в корпус с теплоизолирующими свойствами – использовать такие аккумуляторы удобно в жарком климате. В условиях, где температурный режим не соответствует требованиям эксплуатации, элементы с полимерной составляющей применяются как резервные.
↑Особенности зарядки аккумуляторов
Подключать аккумулятор необходимо только к стабильно работающей электросети, без перепадов напряжения и помех. Эксплуатировать следует только соответствующие зарядные приборы, совпадающие по заявленным в описании характеристикам. Важный момент: в процессе зарядки все разъемы должны быть подключены корректно, нельзя допускать размыкания. Элементы Li-Pol крайне чувствительны ко всевозможным перегрузкам, превышенным показателям тока, механическим ударам и переохлаждению. Следует следить за герметичностью твердотельных элементов.
Элементы Li-ion заряжаются примерно по таким же принципам, как и полимерные, но являются более чувствительными и менее надежными в отношении безопасности. Время зарядки у обоих типов примерно одинаково, но полимерный элемент «капризнее» к качеству точки энергоснабжения.
↑Чем лучше литий-ионный аккумулятор
Литий-ионные аккумуляторы более привычны для потребителя, у них есть ряд эксплуатационных преимуществ:
Мощные литиевые аккумуляторы эффективно используются для устройств, требующих кратковременного высокого потребления тока. Температурный режим, как и у устройств на полимерной базе, имеет ключевое значение при эксплуатации.
Ощутимой разницы рядовой пользователь не ощущает, но, с точки зрения рациональности сферы применения, этот вид аккумуляторов удобен в зарядных устройствах для следующей техники:
Прежде чем выбрать оптимальный тип зарядки, нужно точно знать, для какого прибора она будет использоваться. Особенно это важно, если планируется универсальное применение и обслуживание сразу нескольких портативных устройств.
Литий-полимерные аккумуляторы рационально применять там, где важными факторами являются вес и температура. Они «боятся» мороза и не очень удобны для переносных инструментов и гаджетов. Поэтому основная область использования:
Выбирая подходящий тип зарядного устройства, обратите внимание на сферу использования, стоимость и уровень безопасности. Читайте отзывы пользователей о товарах разных производителей и делайте выбор.
Литий-полимерный (LiPo) аккумулятор
Литий-полимерный аккумулятор (LiPo)
В наше время появляется все больше и больше портативной переносной аппаратуры. Это могут быть мобильные телефоны, bluetooth-колонки и различные гаджеты. Наиболее часто используемым источником энергии в этом случае является литий-полимерный аккумулятор (Li-Po).
Литий полимерный аккумулятор в радиоприемнике
Такие аккумуляторные батареи имеют превосходную плотность энергии на килограмм, так называемый Вт × час /кг (Wh/kg) или на английский манер gravimetric energy density. Этот параметр показывает, как много энергии содержит аккумулятор либо конденсатор по отношению к его массе. Например, автомобили Тесла используют в своих электрокарах аккумуляторы с плотностью энергии в 254 Вт × час/кг.
Самой бешеной плотностью энергии на килограмм является элемент Уран-235. Если создать все условия для его расщепления, чем и занимаются на АЭС, то можно получить с него энергию до 24 500 000 000 Вт × час/кг! Это почти в 10 000 000 раз выше, чем у бензина. Можно сказать, что 1 кг урана даст в 10 000 000 раз больше энергии, чем 1 кг бензина, если, конечно, «разогнать» уран в ядерном реакторе.
Есть также такой параметр, как плотность энергии по отношению к объему или на английский манер volumetric density energy. Этот параметр показывает как много энергии содержит аккумулятор либо конденсатор по отношению к его объему. Выражается этот параметр, как Вт×час/литр или на английский манер Wh/L. Не забываем, что объем можно выражать также в литрах.
График эффективности различных типов аккумуляторов выглядит так:
График эффективности аккумуляторов различных видов
Виды литий-полимерных аккумуляторов
В настоящее время существуют множество литий-полимерных аккумуляторов разных форм и видов.
Виды литий-полимерных аккумуляторов
В первую очередь давайте разделим наши аккумуляторные батареи по видам. Есть одноэлементные батареи, которые выдают номинальное напряжение в 3,7 Вольт, а также есть многоэлементные батареи, которые состоят из одноэлементных. Здесь работает правило последовательного и параллельного соединения источников питания.
Получаем, что если соединять последовательно одноэлементные LiPo аккумуляторы, то можно увеличивать кратно их общее напряжение.
*cell — элемент, ячейка.
Одноэлементные аккумуляторы чаще всего можно увидеть в ваших мобильных телефонах и других гаджетах.
Многоэлементные аккумуляторы используются в электровелосипедах, электроскутерах и тд.
Схема контроля и защиты аккумуляторной батареи
На простом одноэлементном аккумуляторе мы можем увидеть термоскотч, который закрывает контакты аккумулятора
литий полимерный аккумулятор без схемы защиты
Некоторые дешевые одноэлементные аккумуляторы не имеют схемы защиты и контроля от перезаряда и разряда. Выводы в этом случае выходят прямо из батареи.
аккумулятор без схемы контроля и защиты
Но на большинстве аккумуляторов все-таки присутствует схема защиты и контроля заряда
аккумулятор со схемой защиты и контроля заряда
Здесь мы можем увидеть микросхему-контроллер DW01x, которая выполняет сразу несколько функций.
контроллер заряда DW01
Она разработана специально для литий-ионных/полимерных батарей и защищает их от повреждения или ухудшения срока службы из-за перезаряда, переразряда и/или сверхтока для одноэлементной литий-ионной/полимерной батареи. Более подробно ознакомится с ней можно здесь.
Также можно увидеть микросхему 8205
микросхема 8205 в литий-полимерном аккумуляторе
Эта микросхема является сборкой из двух N-канальных MOSFET транзисторов, которые управляются нашей DW01x.
Более подробно в даташите здесь.
В сборе вся схема заряда на Li-Po одноэлементную батарею выглядит приблизительно вот так:
схема защиты литий-полимерного аккумулятора
Как вы могли заметить, микросхема 8205 представлена в виде двух МОП-транзисторов.
На Алиэкспрессе можно найти готовые модули для зарядки одноэлементных батарей. Здесь отчетливо видно микросхемы DW01A, 8205A, а также незнакомую нам TC4056A, которая является еще одним программируемым контроллером. Она задает ток зарядки, напряжение и тд. с источника питания. С таким модулем ваша аккумуляторная батарея без схемы защиты может спать заряжаться спокойно.
модуль контроля и защиты заряда для литий-полимерных батарей
Присмотреть себе такой модуль вы можете по этой ссылке.
Что будет, если мы вообще уберем схему защиты и контроля? Итак, для этого нам понадобится простой кислотный аккумулятор.
Берем вот такой аккумулятор
и цепляем его к нашей LiPo батарее без схемы защиты и контроля заряда, то есть напрямую к ее выводам
В течение нескольких секунд батарею сначала пучит
вздувшаяся литий-полимерная батарея
А потом она взрывается.
взорвавшаяся литий-полимерная батарея
Поэтому, схема контроля и защиты очень важна для LiPo аккумуляторных батарей.
Параметры схемы защиты и контроля
Давайте разберем некоторые параметры схемы защиты и контроля на литий-полимерную батарею на базе микросхемы DW01-P
основные параметры схемы защиты для литий-полимерного аккумулятора
Сразу можно заметить, что если к батарее с напряжением самого элемента в 3,9 В не подключена никакая нагрузка, то схема защиты и контроля будет «кушать» 3 мкА. Это вообще копейки. Если же на элементе будет 2 В, то схема уйдет в так называемый очень экономный режим и будет кушать максимум 0,1 мкА, то есть почти ничего.
Ну теперь можно перейти к более интересным параметрам.
Overcharge Protection Voltage
По-русски, защита от переЗАРЯДА. В нашем случае типичное значение этого параметра составляет 4,25 В. То есть, когда наша батарея зарядится до 4,25 В, сработает защита и батарея перестанет потреблять ток.
Давайте проверим это на практике. Выставляем на блоке питания значение в 4,2 Вольта 
и начинаем заряжать наш аккумулятор. О том, что аккумулятор начал заряжаться, нам показывает индикация силы тока. В данный момент она равна 0,72 Ампера.
Но что случится, если мы подадим большее напряжение на батарею? Выставляем 4,5 В и смотрим на потребление силы тока аккумулятором.
Как вы могли заметить, потребление сразу же упало до нуля, что говорит нам о том, что сработала защита. Напряжение, более чем 4,2 Вольта для Li-ion/Po аккумуляторов считается убийственным. В данном случае схема защиты и контроля заряда отлично справилась со своей работой.
Overcharge Release Voltage
Очень интересный параметр. Итак, у нас батарея «наелась» электрического тока до 4,25 В. Схема защиты ее отключила от дальнейшего заряда, иначе она бы бабахнула, как в опыте выше. Но вот было бы неправильно, если зарядка батареи продолжалась бы после того, как напряжение на батарее просело бы, допустим, до 4,24 В. Что опять подзаряжать батарею? Опять лишний раз «дергать» ключи на мосфетах? Зачем? Поэтому, вводят так называемый гистерезис. Когда напряжение на самом элементе просядет до этого значения, то он снова начнет заряжаться.
В нашем случае типичное значение составляет 4,05 В. То есть, если напряжение батареи просядет до этого уровня, схема контроля и защиты вновь продолжит заряд аккумулятора до уровня Overcharge Protection Voltage.
Overdischarge Protection Voltage
Защита от переРАЗРЯДА.
Достигнув этого значения, батарея уходит в глубокую спячку. Но почему так происходит, что она не желает заряжаться? Дело как раз в параметре Overdischarge Release Voltage (о нем ниже).
Overdischarge Release Voltage
Пока разряженная батарея не достигнет этого уровня, все попытки зарядить ее тщетны, если только напрямую подать электрический ток сразу на выводы аккумулятора, хотя в этом режиме она все равно может заряжаться, но очень-очень долго. То есть в нашем случае, для того, чтобы снова можно было заряжать батарею, на элементе должно быть напряжение не менее 3 В. Если будет меньше, заряд просто не пойдет.
PS. Эх, сколько было выкинуто таких батареек на свалку человечеством! Люди думали, что батарейка полностью сдохла и отказывалась заряжаться. А всего-то надо было немного подзарядить элемент до уровня разрешения зарядки Overdischarge Release Voltage и спокойно дальше заряжать аккумулятор.
Overcurrent Protection
Ну а также есть замечательный параметр, как перегрузка по току Overcurrent Protection. В нормальном режиме микросхема DW01x постоянно контролирует ток разряда на своем выводе CS. Здесь есть два пути развития событий:
— если на ноге CS будет напряжение 150 мВ (перегруз по току), то через 10 мс батарея уйдет «спать» и полностью отключит нагрузку
— если на этой ноге будет напряжение 1,35 В (режим короткого замыкания выводов) то батарея уйдет «спать» меньше, чем за 500 мкс. То есть как только коротнули выводы, батарея мгновенно отключает нагрузку).
Для того, чтобы батарея вышла из спящего режима, надо полностью отцепить нагрузку, либо сделать так, чтобы нагрузка превышала 500 кОм.
Короткое замыкание без схемы защиты и контроля
А что если устроить короткое замыкание батареи без схемы защиты и контроля? Для этого убираем эту плату и коротим выводы батареи накоротко. Через несколько секунд видим, что ее пучит и разрывает.
Имейте ввиду, что составные батареи не имеют встроенную схему защиты и контроля, так как в основном предназначены для силовых устройств.
Поэтому, с ними нужно быть как можно более осторожными, не замыкать выводы и не перегружать по току, если собираетесь их использовать в своих разработках. Для них идет специальное умное зарядное устройство, которое отключает заряд при полном заряде батареи
либо специальный модуль для заряда таких аккумуляторов
Его можете посмотреть по этой ссылке.
Материал для статьи был подготовлен по видео