Гибкий.ру Что такое литий полимерный аккумулятор
Li polymer аккумуляторы являются гальваническими источниками питания, в которых в качестве электролита используются полимерные материалы, насыщенные литием.
Литий полимерная технология стала новым этапом развития литий-ионных источников питания, который удешевил процесс их производства и позволил создавать миниатюрные и гибкие батареи.
При покупке и использовании таких батарей необходимо понимать нанесенную на них маркировку, которая имеет следующие особенности:
- емкость АКБ обозначается в mAh;
- число рядом с английской буквой S в маркировке обозначает количество отдельных элементов (банок) в батарее, каждая из которых имеет номинальное напряжение 3,7 вольта и максимальное – 4,2 вольта;
- число рядом с буквой C означает максимальную токоотдачу в единицах C. Максимальный ток разряда в миллиамперах в час равен емкости АКБ, умноженной на эту величину;
- число рядом с буквой P обозначает количество параллельно включенных банок. При использовании одной банки эту величину обычно не указывают.
Таким образом, обозначение 2600 mAh 3S 20C обозначает Li-polymer батарею емкостью 2600 мАч с номинальным напряжением 11,1 вольт (максимальным 12,6 вольт), с тремя последовательно соединенными банками и допустимым током разряда 52 ампера (2600х20=52000 мА).
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.
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.
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.
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.
Виды литий-полимерных аккумуляторов
В настоящее время существуют множество литий-полимерных аккумуляторов разных форм и видов.
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.
Где применяются li pol акб
Этот вид источников питания благодаря небольшому весу и высокой мощности широко применяется для обеспечения питания малогабаритных и крупногабаритных устройств, среди которых:
- мобильные телефоны и смартфоны;
- радиоуправляемые модели, квадракоптеры, микросамолеты;
- электроинструмент;
- цифровая техника, ультрабуки;
- электромобили.
Как осуществляется производство литий полимерных аккумуляторов
При производстве Li-polymer источников питания используется такая технология:
- Осуществляется контролируемое нанесение суспензии с активными материалами катода и анода (два разных процесса) на поверхность алюминиевой или медной фольги, которая выступает в роли токоприемника.
- Фольга с нанесенным материалом сушится, нарезается на элементы необходимого размера и формы.
- Осуществляется подготовка полимерного электролитного сепаратора, который затем помещают между слоями фольги с активными материалами катода и анода.
- Производится сборка многослойной батареи, ее герметизация и просушка.
- При использовании полимерного сепаратора, требующего наличия вкраплений гелевого электролита, осуществляется его заполнение нужным количеством электролитной жидкости.
- Производится установка контактных площадок, упаковка в защитную оболочку и обрезка ее выступающих частей.
- Устанавливаются внешние клеммы аккумуляторов.
- Производится контрольный цикл зарядки/разрядки и тестирование.
- Осуществляется отбраковка, сортировка по емкости и нанесение соответствующих обозначений.
- При необходимости к клеммам батареи подпаиваются провода.
- Осуществляется контроль качества, упаковка элементов батареи в корпус, на который наносят необходимую маркировку и упаковку.
Как хранить литий полимерный аккумуляторы
Хранить заряженные LiPo батареи желательно в защитных чехлах при комнатной температуре при зарядке на уровне 3,6-3,8 вольт.
Перед постановкой на хранение LiPo элементов рекомендуется их зарядить до 40-50%, отключить от устройств, которые они питают и периодически, хотя бы раз в полгода проверять уровень заряда.
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
Литий полимерный аккумулятор: плюсы и минусы
Li-polymer источники питания имеют следующие преимущества:
- высокая энергетическая плотность по отношению к их массе, большая, чем у никель-кадмиевых АКБ в 4-5 раз, и в 3-4 раза большая, чем у никель-металлогидридных источников питания;
- малый ток саморазряда и высокая токооотдача;
- возможность создания гибких и очень тонких изделий;
- отсутствие эффекта памяти;
- сохранение напряжения в допустимых пределах при рабочем разряде;
- большой диапазон допустимых температур при эксплуатации (от -20 до 40 градусов).
Литий-полимерным батареям присущи некоторые недостатки:
- пожароопасность в случае перезаряда/перегрева. Эти батареи требуют использования защитной электроники, которая отслеживает зарядной ток и температуру, а также специального алгоритма зарядки;
- эффект старения, приводящий к снижению емкости при долгом хранении и эксплуатации (считается, что АКБ теряет до 20% емкости за каждый год);
- выход из строя при глубоком разряде (ниже 3 вольт);
- боязнь перегрева выше 60 градусов и перезаряда выше 4,2 вольта (при напряжении выше 4.5 вольт возможен взрыв);
- использование тонкой оболочки (обычно в виде фольги) в некоторых таких батареях удешевляет стоимость Li Pol элементов, но в то же время уменьшает их прочность.
Литий-полимерные аккумуляторы (li-pol)
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).
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.
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.
График эффективности различных типов аккумуляторов выглядит так:
На текущий момент литий-полимерные аккумуляторы могут быть нескольких видов, которые отличаются по структуре электролита:
- Элементы, имеющие гелеобразный гомогенный электролит, который создается внедрением в состав полимерных солей лития.
- Элементы, имеющие сухой полимерный электролит. Данный вид производится на основе полиэтиленоксида с использованием разнообразных солей лития.
- Имеющие электролит из полимерной матрицы, имеющую микропористую структуру. В нем имеются неводные составляющие солей лития.
В связи с тем, что в полимерном элементе применяется жидкий электролит, то их эксплуатационная безопасность на порядок выше. К тому же они могут изготавливаться различной формы и конфигурации.
Некоторые литий-полимерные элементы выполняются из металлического полимера. Однако при низкой температуре параметры подобных батарей существенно снижаются вследствие кристаллизации полимера.
Существуют разработки полимерных батарей, где применяется металлический анод. Некоторым компаниям удалось получить существенного расширения рабочего температурного интервала и плотности тока. Подобные разновидности батарей можно применять в разной бытовой технике и электронике.
При этом разные производители используют различные материалы электродов, структуру электролита и сборочную технологию. В результате выпускаемые батареи могут иметь совершенно разные параметры. Но все компании, выпускающие подобные аккумуляторы, отмечают, что стабильность функционирования литий-полимерных батарей обеспечивает однородность электролита из полимера. Это в свою очередь зависит от количества компонентов, а также температуры полимеризации.
Уже выпускаются варианты батарей, имеющих толщину всего в 1 миллиметр. Благодаря этому производители могут выпускать очень компактные мобильные устройства.
Параметры схемы защиты и контроля
Давайте разберем некоторые параметры схемы защиты и контроля на литий-полимерную батарею на базе микросхемы DW01-P
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.
Правила эксплуатации li pol аккумуляторов
Для обеспечения необходимого уровня безопасности и продления срока эксплуатации исправных батарей, необходимо придерживаться следующих правил:
- при наличии повреждений, вздутости элементов питания, их нельзя использовать, а необходимо подвергнуть утилизации;
- заряд батарей нужно производить качественным зарядным устройством под присмотром, не допуская перегрева батареи. Если во время зарядки появляется запах гари, вздутие, воспламенение, необходимо немедленно ее прекратить и отключить АКБ от зарядного устройства;
- лучше производить зарядку на негорючей поверхности, например на керамической плитке или фарфоровой тарелке, после полной зарядки источника питания лучше дать ему остыть и только потом начинать его использовать;
- нельзя допускать разряда ниже 3 вольт, перегрева или переохлаждения, которые уменьшают емкость и общее количество циклов заряда-разряда;
- наибольшая продолжительность эксплуатации LiPo элементов достигается при поддержании их уровня заряда на уровне 45%;
- самый лучший зарядный режим для LiPo АКБ осуществляется зарядными устройствами от компании Sony на протяжении примерно трех часов. Он проходит в три этапа:
- Сначала на протяжении примерно одного часа производится зарядка до 70% постоянным током величиной 0,5-1 от величины токоотдачи батареи до напряжения 4,2 вольта;
- Подзарядка продолжительностью 1 час до 90% напряжением не более 4,2 вольта с постепенно уменьшающимся током (до примерно 0,2 от токоотдачи);
- На третьем этапе производится подзарядка на протяжении часа до 100% небольшим постоянно уменьшающимся током.
Дешевые зарядные устройства заканчивают заряд на первом этапе, по достижению напряжения 4,2 v, поэтому батарея не набирает своей полной емкости.
- не допускать ударов по батарее, коротких замыканий или разряда очень высокими токами, перезарядки выше 4,2 вольт на элемент составной батареи — все эти причины могут вызвать пожар;
- если используются составные батареи из нескольких Li Pol элементов, то их заряд лучше производить по отдельности, либо использовать специальный выравнивающий заряд с балансировкой по каждому элементу. Принцип работы такого устройства заключается в остановке заряда отдельных элементов по достижении ими напряжения около 4,17 вольт;
- перед вводом в эксплуатацию новых батарей лучше произвести их калибровку путем двухразового полного заряда и разряда.
В некоторых Li Pol батареях при разряде ниже 2,5 вольт возможна металлизация лития, которая приводит к созданию токопроводящих мостиков внутри батареи и короткому замыканию. При зарядке такой батареи происходит неконтролируемый нагрев, который может привести к взрыву такого источника питания.
Преимущества литий-полимерных батарей
- Довольно высокая энергоплотность.
- Небольшой параметр саморазряда.
- Отсутствует эффект памяти.
- Литий-полимерные аккумуляторы несколько превосходят литиевые аналоги по емкости батареи и длительности ее использования.
- Изготовления батарей толщиной всего один миллиметр.
- Применения в довольно широком температурном диапазоне: от минус 20 до плюс 40 градусов Цельсия.
- Возможность придания батарее различной формы.
- Небольшое падение напряжения при разряде.
Применение
Литий-полимерные аккумуляторы находят все более широкое применение. Такие батареи позволяют значительно повысить время эксплуатации работы устройства при уменьшенном весе аккумулятора. Благодаря этому можно получить энергоноситель, который будет в несколько раз большую емкость.
При использовании быстроразрядных батарей будет обеспечиваться еще большая производительность. Поэтому подобные аккумуляторы становятся прекрасным вариантом для управляемых по радио моделей самолетиков и вертолетиков, в том числе иных радиоуправляемых устройств.
Применение Li-Pol аккумуляторов дает возможность уменьшить вес батареи и увеличить период работы устройств. Литий-полимерные батареи прекрасно продемонстрировали себя при применении в вертолетах маленького размера, к примеру, Piccolo. Такие устройства способны летать на таких батареях в течение 30 минут и более. Указанные элементы являются хорошим вариантом для небольших летающих конструкций.
Типичные литий-полимерные аккумуляторы используются в качестве источников питания, которые необходимы для электронных устройств, потребляющих сравнительно небольшой ток. Это могут быть ноутбуки, смартфоны и так далее. Быстроразрядные батареи применяются в устройствах, где необходимо высокое токопотребление. Подобные батареи применяются в современных гибридных автомобилях, портативных электрических инструментах и радиоуправляемых устройствах.
Принцип действия
Литий-полимерные аккумуляторы имеют принцип действия, схожий с литий-ионными элементами, то есть они работают на обратимости химической реакции. Здесь анодом выступает материал из углерода, куда внедряются ионы лития. В катоде применяются оксиды ванадия, марганца либо кобальта.
В качестве химической основы электролита здесь по-прежнему применяются соли лития. Однако они располагаются в соответствующей полимерной прокладке, которая находится между катодом и анодом. Благодаря этому литий-полимерные батареи могут быть выполнены в любой произвольной форме. Их можно размещать в различные недоступные места, что открывает новые возможности для производителей электроники.
Схема контроля и защиты аккумуляторной батареи
На простом одноэлементном аккумуляторе мы можем увидеть термоскотч, который закрывает контакты аккумулятора
Некоторые дешевые одноэлементные аккумуляторы не имеют схемы защиты и контроля от перезаряда и разряда. Выводы в этом случае выходят прямо из батареи.
Но на большинстве аккумуляторов все-таки присутствует схема защиты и контроля заряда
Здесь мы можем увидеть микросхему-контроллер DW01x, которая выполняет сразу несколько функций.
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.
Узнайте что такое литий ионный аккумулятор.
Также можно увидеть микросхему 8205
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:
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.
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
А потом она взрывается.
Поэтому, схема контроля и защиты очень важна для LiPo аккумуляторных батарей.
Также литий-полимерные аккумуляторы, которые имеются в продаже, делятся на:
- Обычные.
- Быстро-разрядные.
Устройство
Литий-полимерные аккумуляторы работают по принципу перемещения ряда полимерных элементов в полупроводниковые вещества при условии включения в них ионов электролита. В итоге происходит существенное возрастание проводимости. По устройству указанные батареи выделяются электролитическим составом.
Суть полимерной технологии заключается в том, что электролит наносится на пленку из пластмассы. Она не позволяет проводить электричество, однако дает возможность обмениваться ионами. Другими словами, электролит из полимера заменяет стандартный пористый сепаратор, пропитанный жидким электролитом.
Благодаря сухой полимерной конструкции удается обеспечить минимальную толщину ячейки порядка 1 мм, безопасность применения и простоту производства. Благодаря такой конструкции у разработчиков появляется возможность внедрять такие батареи в обувь, одежду, миниатюрное оборудование и иные устройства.
Но сухая полимерная батарея имеет недостатки в виде снижения проводимости и внутреннего сопротивления полимеров, что неприемлемо для ряда мощных мобильных устройств. Чтобы небольшая полимерная батарея была более продвинутой, к электролиту добавляют некоторый процент гелевых элементов.
Утилизация литий полимерных аккумуляторов
Утилизация LiPo источников питания имеет особую актуальность в связи с их высокой пожароопасностью. Они менее токсичны, чем никель-кадмиевые батареи, но все же содержат вредные для экологии вещества.
Чтобы полностью и безопасно утилизировать Li-polymer элементы питания необходимо соблюдать следующие требования:
- утилизация разряженных батарей производится в пластиковых контейнерах с водно-солевым раствором (примерно полстакана соли на 1 литр воды) на протяжении около 2-х недель (до прекращения газообразования) в нежилом помещении. После этого их можно выбрасывать с обычным мусором;
- перед утилизацией батареи должны быть разряженными хотя бы до одного вольта (это можно делать лампочкой в качестве нагрузки);
- если корпус батареи поврежден, то ее не нужно разряжать, а необходимо произвести утилизацию в водно-солевом растворе;
- если разряд производится током более допустимого, связанного с величиной максимальной токоотдачи C, то батарея должна находиться в ведре с песком или в другом месте с защитой от возгорания;
- не допускается механическое разрушение необработанных в солевом растворе батарей, из-за которого может произойти возгорание. Особенно опасны в этом отношении элементы питания с кобальтовым катодом.
Эти батареи в будущем можно будет повсеместно использовать в автомобильной промышленности. сегодня же их используют для создания новых технологий и испытаний электромобилей. вместе с тем существуют определенные ограничения, которые препятствуют использованию этих батарей повсеместно.
Однако указанные минусы не мешают их использовать в самых разнообразных областях. В будущем все эти недостатки будут нивелированы внедрением новых технологий и разработок.