Литий-полимерные источники тока

Введение

Литий-ионные полимерные аккумуляторы, чаще называемые просто литий-полимерные аккумуляторы (сокращенно Li-poly или LiPo), представляют собой аккумуляторные батареи, которые возникли в результате усовершенствования технологии производства литий-ионных аккумуляторов. В этом типе аккумуляторных батарей электролиты солей лития размещаются не в органические растворители как в литий-ионных батареях, а в твердые полимерные смеси, такие как полиэтиленоксид или полиакрилонитрил. Преимущества Li-poly аккумуляторов по сравнению с литий-ионными включают более низкую себестоимость производства и более высокий показатель прочности к физическим повреждениям. Впервые литий-ионные полимерные аккумуляторы стали использоваться в бытовой электронной технике приблизительно в 1996 г.

Устройство Li-poly аккумуляторов

Полимерно-литиевые аккумуляторы состоят из секций или стеков. Каждая из секций содержит три электрода и сепаратор с полимером, который действует как электролит и как связывающее вещество. Отрицательный электрод расположен между двумя положительными и с помощью термального воздействия все компоненты объединяют в стек. Толщина одной секции около 0,6 мм. В зависимости от количества стеков можно получить аккумулятор той или иной ёмкости. Снаружи источник питания запечатывают в полимерно-алюминиевую пленку.

В качестве анодов используют Li или соединение углерод-Li. В качестве катодов испозуют такие соединения, как LiCoO₂ или LiMnO₄. В качестве полимерных электролитов (сепараторов) могут исползоваться твердые полимеры (например, полиэтиленоксид) с LiPF₆илидругиепроводящиесоливсочетаниис SiO₂.

Основная идея литий-полимерных аккумуляторов заключается в том, чтобы вместо обычного сочетания микропористого сепаратора и жидкого электролита использовать ионно-проводящие полимеры. Это не только способствует большей безопасности из-за того, что полимерные электролиты не так легко воспламеняются, но и позволяет делать аккумуляторы очень тонкими, так как они не требуют усилий на прижимание катодов и анодов. Полимерные электролиты запечатывают оба электрода вместе подобно клею.

Технические характеристики

Общая информация

В отличие от литий-ионных цилиндрических или призматических батарей, в которых использовался твердый металлический корпус, в полимерных аккумуляторах применяется гибкий, как пленка (полимер-ламинантный) корпус, но в них при этом также содержится органический растворитель. Главное различие коммерческих полимерных и литий-ионных аккумуляторов в том, что в последних - электроды и сепаратор прижимаются жестким корпусом, а в полимерных батареях нет необходимости в таком внешнем давлении, потому что листы электродов и сепараторов наслаиваются друг на друга.

Так как батареи не нуждаются в металлическом корпусе, их вес становится меньше и им можно придавать форму, непосредственно подходящую для устройства, в котором они будут работать. Благодаря более плотной упаковке, в которой нет пространства между цилиндрическими элементами, а также из-за отсутствия металлической оболочки плотность энергии Li-poly батарей более чем на 20% выше плотности энергии классических литий-ионных батарей и почти в три раза превышает этот же показатель для никель-кадмиевых (NiCd) и никель металл-гидридных (NiMH) аккумуляторных батарей.

Напряжение для единичного Li-poly элемента варьирует от 2.7 V (в разряженном состоянии) приблизительно до 4.23 V (при полной зарядке), а литий-полимерные батареи должны быть защищены от перезарядки путем ограничения величины приложенного напряжения до 4,235 V на каждый элемент при последовательном соединении. Перезарядка литий-полимерных аккумуляторов может привести к взрыву и/или воспламенению. В случае разрядки под нагрузкой, если напряжение падает ниже 3,0 V на каждый элемент, нагрузку следует исключить, иначе впоследствии батарея не сможет принимать полный заряд и не сможет удерживать напряжение под нагрузкой.

Для того, чтобы не допустить воспламенения или взрыва литий-полимерных батарей, следует пользоваться специально предназначенными зарядными устройствами. Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить 2 основных типа - простые, не «компьютерные» зарядники, в ценовой категории 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные - в ценовой категории 120-400$, предназначенные для различных типов аккумуляторов, в том числе и для LiPo и Li-Ion. На полную зарядку Li-poly аккумуляторов обычно уходит более часа.

Взрыв может также произойти в случае короткого замыкания в аккумуляторах из-за резкой подачи большого разряда тока.

Разряд литий-полимерного аккамулятора ниже напряжения 3В приводит к его «гибели». Для того, чтобы не допустить чрезмерной разрядки и последующего повреждения батарей, применяются специально разработанные электронные регуляторы. Для этого используются выключатели низкого тока, предназначенные поддерживать напряжение на элементах на уровне (как правило) 3 V.

Аккумуляторы Li-poly больше подвержены процессу старения, чем литий-ионные аккумуляторы. Однако в последние несколько лет производители заявляли, что смогли добиться 500 циклов зарядки-разрядки до падения мощности до 80%. В таком варианте Li-poly батарей количество циклов может достигать 10000.

Основным недостатком является то, что диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов ограничен: элементы плохо работают на холоде и могут взрываться при перегреве выше 70 градусов Цельсия. Требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств), представляют повышенную пожароопасность при неправильном обращении.

Нюансы применения

Итак, подчеркнем еще раз самые важные моменты, связанные с использованием литий-полимерных аккумуляторов.

¨Необходимо использовать нормальное зарядное устройство.

¨Необходимо применять разъемы, исключающие возможность замыкания батареи.

¨Нельзя превышать допустимые токи разряда.

¨Нельзя разряжать аккумулятор ниже напряжения 2.7 В.

¨Нельзя подвергать батарею ударам.

¨Необходимо следить за температурой аккумулятора.

Применение

Наибольшим достоинством Li-poly батарей является то, что производители могут придать им практически любую форму. Данная характеристика может иметь существенное значение для разработчиков мобильных телефонов, которые постоянно работают над созданием телефонов меньшего размера, более плоских и легких. По сравнению с никель-кадмиевыми и никель металл-гидридными аккумуляторами преимущество литий-полимерных батарей также заключается в более низком уровне саморазрядке.

Li-poly аккумуляторы также все больше пользуются спросом среди любителей авиамодельного спорта, так как их небольшой вес и существенно возросшая продолжительность работы в значительной мере оправдывают их стоимость.

Литий-полимерные батареи также продолжают находить применение в КПК (в том числе в телефонах с мультимедийными возможностями – iPhone) и ноутбуках. Li-poly батареи используются также в небольших цифровых музыкальных устройствах, таких как мультимедийные плееры iPod, и других МР3-плеерах, а также в игровых приставках, например, в беспроводных джойстиках SonyPlaystation 3. Самым целесообразным является применение Li-poly аккумуляторов в тех ситуациях, когда их небольшие размеры и показатели плотности энергии имеют большее значение, чем их стоимость.

Такого рода аккумуляторы могут также служить источниками питания для аккумуляторных электромобилей следующего поколения. Стоимость таких электрических автомобилей слишком высока, но выступающие в их защиту утверждают, что с ростом производства цена на литий-полимерные батареи упадет.

Заключение

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литий-полимерными аккумуляторами - если их не догонят топливные элементы. По мере повышения спроса на аккумуляторы и увеличения объема их выпуска цена будет неизбежно падать, и тогда литий станет, наконец, также распространен, как NiMH.