ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ (LI-POL)

Идея использования в конструкции литий-ионного аккумулятора полимерного электролита исследовалась с самого начала коммерциализации проекта этих автономных источников тока. Ученые занимались поиском полимерных электролитов, пригодных для производства, как литий-ионных аккумуляторов, так и батарей с металлическим литием.

Литий-полимерные аккумуляторные батареи (Li-pol или Li-polymer) - это одна из наиболее совершенных конструкций аккумуляторных источников питания. В основе принципа работы литий-полимерных аккумуляторов лежит способность перехода определенного ряда полимеров в полупроводниковое состояние при введении в них ионов электролита. Результатом данного процесса становится значительное увеличение проводимости полимеров.

В отличии от жидких электролитов, полимерные электролиты отличаются меньшей ионной проводимостью, которая ещё больше уменьшается при падении температуры ниже 0°C. Цель долгих поисков исследователей состояла в подборе иммобилизированного электролита с высокой проводимостью, который бы смог предоставить более широкий температурный диапазон, будучи совместимым с электродными материалами. Уже в первом поколении литий-полимерных аккумуляторов подбором сополимером удалось добиться высокой прочности электродов и значительной электролит-абсорбционной емкости, а ионную проводимость электролита батарей увеличить практически в три раза. Если в самом начале своей истории данная группа аккумуляторов использовалась лишь для питания портативных устройств, но в наше время она превратилась в одни из наиболее мощных источников тока такого плана, применяемого в работе современных электрических транспортных средств. Уже к концу XX столетия канадским ученым удалось создать емкостную литий-полимерную батарею для электромобиля.

Современные Li-pol  аккумуляторные батареи обладают хорошими удельными характеристиками. Количество их рабочих циклов заряда/разряда – 500 и более. Отсутствие жидкого электролита делает эти перезаряжаемые источники тока более безопасными в эксплуатации, нежели литий-ионные аккумуляторы предыдущих поколений. Существенного ограничения в модели конструктивного исполнения эти аккумуляторы не имеют, и могут изготавливаться в любой конфигурации. Как правило, внешняя корпусная часть литий-полимерных батарей выполняется из металлизированного полимера.

На данный момент в мире производятся аккумуляторы с электролитами трех типов:

- сухими полимерными (как правило, на основе полиэтиленоксида с различными солями лития);

- гель-полимерными (формируются при введении в полимер с солями лития пластификатора);

- неводные растворы солей лития, размещенные в пористой полимерной матрице.

Литий-полимерный аккумулятор с твердым сухим электролитом из полимера, похожим на пластиковую пленку и хорошо пропускающим через себя ионы, был создан ещё в 70-х годах: он позволил значительно упростить производство, повысить безопасность аккумулируемых источников энергии и добиться их тонкопрофильной геометрии. Li-pol аккумулятор с сухим электролитом был меньше подвержен риску воспламенения, нежели традиционный Li-ion. Со временем многими мировыми компаниями начали производится аккумуляторные батареи с гель-полимерным электролитом.

Появление сверхтонких Li-pol аккумуляторов открыло новые возможности не только для сферы разработки легких и компактных портативных устройств, но целого ряда электрического оборудования, которые по причине особенности своей конструкции просто физически не могли дополнятся массивными аккумуляторными батареями. Литий-полимерные аккумуляторы небольших габаритов стали настоящим прорывом и в области совершенствования электрических транспортных средств, заполнив нишу одних из самых современных и безопасных видов источников питания электровелосипедов,электроскутеров и даже электромобилей. Этот вид батарей позволил решить сразу две важных задачи области электротранспортного конструирования – увеличить время работы электромоторов и облегчить основную конструкцию транспортных средств

Несмотря на довольно-таки существенные различия в электродном материале и технологии производства электролита, для всех этих батарей характерна достаточно большая плотностью тока и широким диапазоном рабочих температур. Такие аккумуляторы сегодня широко используются для довольно широкого круга портативных устройств. Срок их службы – 500-800 циклов заряд/разряд.

Для литий-полимеров не существует каких-либо ограничений и стандартов, касающихся их габаритных размеров. Учитывая то, что литий-полимеры при небольших размерах и весе по сравнению со стандартными литий-ионными аккумуляторными батареями более устойчивы к перезаряду, короткому замыканию, вибрации, механическому внешнему воздействию, перспективность их последующего развития просто не вызывает сомнения. На стабильность работы литий-полимерных аккумуляторов в значительной степени влияет однородность полимера, которая в свою очередь зависит от компонентов электролита и температуры поляризации.

Процесс заряда литий-полимерных аккумуляторов аналогичен заряду литий-ионных батарей, поэтому для их подпитки могут использоваться идентичные зарядные устройства с ограничением напряжения заряда. Литий-полимеры требуют особого режима заряда: в отличии от свинцово-кислотных батарей, при заряде которых допускается довольно гибкий диапазон напряжения конца подзарядки, к величине напряжения при заряде указанных аккумуляторов предъявляются значительно более жесткие требования. Подзарядка Li-pol от электросети занимает 2-5 часов, и проводиться до напряжения не выше 4,2V при начальном ограничении тока до 0,5-1С. Использование более высокого напряжения приводит к увеличению интенсивности окислительных процессов в элементах такого типа и, соответственно, сокращает их срока службы. Аккумуляторы будут безопасно работать только в случае нормального напряжения заряда. Допустимое отклонение напряжения на элемент не должно превышать + 0,05 V. Литий-полимерные аккумуляторы очень критичны в зарядному процессу.

В процессе заряда литий-полимеры не нагреваются. В начале батареи заряжаются некоторым фиксированным током, и при достижении 4,2V на каждой банке (95% уровня заряженности) зарядное устройство переходит ко второй фазе алгоритма подзарядки. Ток снижается так, чтобы напряжение на банках не превышало 4,2V. Превышение напряжения в 4,25 V чревато возникновением ситуации самовозгорания. Чтобы не вывести аккумуляторы из строя при заряде необходимо контролировать напряжение на каждой из банок!

Некоторые современные типы литий-полимеров допускают заряд токами до 5C. Зарядный процесс завершается, когда ток падает до 0,1-0,2С. В режиме стабилизации напряжения при токе в 1С Li-pol набирает 70-80% своей емкости.

Так называемая «перезарядка» очень плачевно отображается на работе и жизни батарей, «раскачка» (несколько циклов полной разрядки с последующей полной зарядкой) им также ни к чему. Нельзя заряжать батарей при температуре замерзания.

Для батарей характерно низкое внутреннее сопротивление, при котором разряд при токе до 10С происходит практически без потери емкости. Максимальный ток разряда Li-pol батарей не превышает 3С. Для быстроразрядных аккумуляторов допустим ток разряда до 8-10С.

Аккумуляторы работоспособны при температуре от -20 до +60°C. При температуре выше за 0°C емкость батарей при токе разряда 0,5С практически не падает, но при минусовых температурах замечается значительное её снижение.

Данному типу батарей не свойственно явления "эффекта памяти". Одними из главных преимуществ литий-полимерных источников питания являются довольно высокие показатели плотности энергии на единицу их объёма и массы. По этому показателю Li-pol аккумуляторы опережают обычные литий-ионные батареи практически в два раза, NiCd - в 4-5 раз, и NiMH в 3-4 раза.

Главными недостатками Li-pol батарей является их довольно плохая проводимость и низкий уровень пожароустойчивости, достоинствами – большие токи отдачи и малый вес. Хранение Li-pol аккумуляторных батарей следует производить при 40-50%-ом уровне заряда от их емкости в сухом помещении с температурой воздуха не выше 20°С. Хранение в разряженном состоянии негативно отображается на продолжительности их жизни. Так же, как большинство других аккумуляторов, литий-полимерные батареи подвержены старению, и за два года хранения теряют около 20% своей емкости.

С целью получения энергетического источника более высокой емкости и с большим уровнем токоотдачи возможно соединение нескольких аккумуляторов в одну батарею, однако, хотим обратить Ваше внимание, что использование в одном соединении аккумуляторных элементов разных емкостей неуместно, так же как и не рекомендовано применение с этой целью аккумуляторов разных производителей.

Для того, чтобы продлить срок жизни Li-pol батарей следует:

- По возможности не допускать полного разряда батарей «в ноль» - лучше поставить их на зарядку с 10-20% остаточной емкости.

- В процессе эксплуатации стараться избегать негативного внешнего воздействия на батарею высоких температур. Оптимальным при эксплуатации является температурный диапазон +20-25°C.

- Устанавливать на хранение аккумуляторы заряженными на половину их емкости и в помещение с температурой воздуха не выше 20°С. Не рекомендуется хранить аккумуляторы под воздействием прямых солнечных лучей и вблизи источника тепла.

- Предотвращать процесс заряда переохлажденных батарей: резкие перепады температуры погубят их. Подзарядку аккумуляторов нужно проводить лишь при плюсовых температурах, желательно не менее +10°C.

- Категорически запрещается разбирать литий-ионные аккумуляторы (нарушать их герметичность). При попадании электролита на открытые участки кожи их немедленно нужно промыть обильным количеством чистой воды в течении 15 мин., после чего сразу же обратится к врачу!

- При механическом повреждении и чрезмерном перезаряде не исключено возгорание. С целью предотвращения риска воспламенения для подзарядки аккумуляторных батарей должно использоваться только специальное зарядное устройства для Li-pol, а сам зарядный процесс производится только под присмотром.