ЛІТІЙ-ПОЛІМЕРНІ АКУМУЛЯТОРИ (LI-POL)

Ідея використання в конструкції літій-іонного акумулятора полімерного електроліту досліджувалася з самого початку комерціалізації проекту цих автономних джерел струму. Вчені займалися пошуком полімерних електролітів, придатних для виробництва літій-іонних акумуляторів, так і батарей з металевим літієм.

Літій-полімерні акумуляторні батареї (Li-pol або Li-polymer) - це одна з найбільш досконалих конструкцій акумуляторних джерел живлення. В основі принципу роботи літій-полімерних акумуляторів лежить здатність переходу певного ряду полімерів в напівпровідникове стан при введенні в них іонів електроліту. Результатом цього процесу стає значне збільшення провідності полімерів.

На відміну від рідких електролітів, полімерні електроліти відрізняються меншою іонною провідністю, яка ще більше зменшується при падінні температури нижче 0°C. Мета довгих пошуків дослідників полягала в підборі иммобилизированного електроліту з високою провідністю, який би зміг надати більш широкий температурний діапазон, будучи сумісною з електродними матеріалами. Вже в першому поколінні літій-полімерних акумуляторів підбором сополімером вдалося досягти високої міцності електродів і значною електроліт-адсорбційної ємності, а іонну провідність електроліту батарей збільшити практично в три рази. Якщо на самому початку своєї історії ця група акумуляторів використовувалася лише для живлення портативних пристроїв, але в наш час вона перетворилася в одну з найбільш потужних джерел струму такого плану, що застосовується в роботі сучасних електричних транспортних засобів. Вже до кінця XX сторіччя канадським вченим вдалося створити ємнісну літій-полімерну батарею для електромобіля.

Сучасні Li-pol акумуляторні батареї володіють хорошими питомими характеристиками. Кількість робочих циклів заряду/розряду – 500 і більше. Відсутність рідкого електроліту робить ці акумулятори джерела струму більш безпечними в експлуатації, ніж літій-іонні акумулятори попередніх поколінь. Суттєвого обмеження в моделі конструктивного виконання ці акумулятори не мають, і можуть виготовлятися у будь-якої конфігурації. Як правило, зовнішня корпусні частина літій-полімерних батарей виконується з металізованого полімеру.

На даний момент у світі виробляються акумулятори з електролітами трьох типів:

- сухими полімерними (як правило, на основі поліетиленоксиду з різними солями літію);

- гель-полімерними (формуються при введенні в полімер з солями літію пластифікатора);

- неводні розчини солей літію, розміщені в пористої полімерної матриці.

Літій-полімерний акумулятор з сухим твердим електролітом з полімеру, схожим на пластикову плівку і добре пропускає через себе іони, був створений ще в 70-х роках: він дозволив значно спростити виробництво, підвищити безпеку які акумулюються джерел енергії та домогтися їх тонкопрофильной геометрії. Li-pol акумулятор з сухим електролітом був менше схильний до ризику займання, ніж традиційний Li-ion. З часом багатьма світовими компаніями почали проводиться акумуляторні батареї з гель-полімерним електролітом.

Поява надтонких Li-pol акумуляторів відкрило нові можливості не тільки для сфери розробки легких і компактних портативних пристроїв, але цілого ряду електричного обладнання, які через особливості своєї конструкції просто фізично не могли доповняться масивними акумуляторними батареями. Літій-полімерні акумулятори невеликих габаритів стали справжнім проривом і в області вдосконалення електричних транспортних засобів, заповнивши нішу одних з найбільш сучасних і безпечних видів джерел живлення електровелосипедів,електроскутерів і навіть електромобілів. Цей вид батарей дозволив вирішити відразу два важливих завдання області электротранспортного конструювання – збільшити час роботи електромоторів і полегшити основну конструкцію транспортних засобів

Незважаючи на досить-таки істотні відмінності в електродному матеріалі і технології виробництва електроліту, для всіх цих батарей характерна досить велика щільність струму і широким діапазоном робочих температур. Такі акумулятори сьогодні широко використовуються для досить широкого кола портативних пристроїв. Термін їх служби – 500-800 циклів заряд/розряд.

Для літій-полімерів не існує яких-небудь обмежень і стандартів, що стосуються їх габаритних розмірів. Враховуючи те, що літій-полімери при невеликих розмірах і вазі в порівнянні зі стандартними літій-іонними акумуляторними батареями більш стійкі до перезаряду, короткого замикання, вібрації, механічного зовнішнього впливу, перспективність їх подальшого розвитку просто не викликає сумніву. На стабільність роботи літій-полімерних акумуляторів в значній мірі впливає однорідність полімеру, яка в свою чергу залежить від компонентів електроліту і температури поляризації.

Процес заряду літій-полімерних акумуляторів аналогічний заряду літій-іонних батарей, тому для їх підживлення можуть використовуватися ідентичні зарядні пристрої з обмеженням напруги заряду. Літій-полімери вимагають особливого режиму заряду: на відміну від свинцево-кислотних батарей, при заряді яких допускається досить гнучкий діапазон напруги кінця підзарядки, до величини напруги при заряді зазначених акумуляторів пред'являються значно жорсткіші вимоги. Підзарядка Li-pol від електромережі займає 2-5 годин, і проводитися до напруги не вище 4,2 V при початковому обмеження струму до 0,5-1С. Використання більш високої напруги призводить до збільшення інтенсивності окислювальних процесів в елементах такого типу і, відповідно, скорочує їх терміну служби. Акумулятори будуть безпечно працювати тільки в разі нормальної напруги заряду. Допустиме відхилення напруги на елемент не повинно перевищувати + 0,05 V. Літій-полімерні акумулятори дуже критичні до зарядного процесу.

В процесі заряду літій-полімери не нагріваються. На початку батареї заряджаються деяким фіксованим струмом, і при досягненні 4,2 V на кожній банці (95% рівня заряду) зарядний пристрій переходить до другої фази алгоритму підзарядки. Струм знижується так, щоб напруга на банках не перевищувало 4,2 V. Перевищення напруги в 4,25 V загрожує виникненням ситуації самозаймання. Щоб не вивести акумулятори з ладу при заряді необхідно контролювати напругу на кожній з банок!

Деякі сучасні типи літій-полімерів допускають заряд струмами до 5C. Зарядний процес завершується, коли струм падає до 0,1-0,2 С. В режимі стабілізації напруги при струмі в 1С Li-pol набирає 70-80% своєї ємності.

Так звана «перезарядка» дуже плачевно відображається на роботі і житті батарей, «розгойдування» (кілька циклів повної розрядки з наступною повною зарядкою) їм також ні до чого. Можна заряджати батарей при температурі замерзання.

Для батарей характерно низький внутрішній опір, при якому розряду при струмі до 10С відбувається практично без втрати ємності. Максимальний струм розряду Li-pol батарей не перевищує 3С. Для быстроразрядных акумуляторів допустимий струм розряду до 8-10С.

Акумулятори працездатні при температурі від -20 до +60°C. При температурі вище за 0°C ємність батарей при струмі розряду 0,5 С практично не падає, але при мінусових температурах помічається значне її зниження.

Даному типу батарей не властиво явища "ефекту пам'яті". Одними з головних переваг літій-полімерних джерел живлення є досить високі показники щільності енергії на одиницю їхнього об'єму і маси. За цим показником Li-pol акумулятори випереджають звичайні літій-іонні батареї практично в два рази, NiCd - в 4-5 разів, і NiMH в 3-4 рази.

Головними недоліками Li-pol батарей є їх досить погана провідність і низький рівень пожежостійкості, достоїнствами – великі струми віддачі і мала вага. Зберігання Li-pol акумуляторних батарей слід проводити при 40-50%-му рівні заряду від їх ємності в сухому приміщенні з температурою повітря не вище 20°С. Зберігання в розрядженому стані негативно відображається на тривалості їх життя. Так само, як більшість інших акумуляторів, літій-полімерні батареї піддаються старінню, і за два роки зберігання втрачають близько 20% своєї ємності.

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 механічному пошкодженні надмірному перезаряд не виключено загоряння. З метою запобігання ризику займання для підзарядки акумуляторних батарей повинно використовуватися тільки спеціальний зарядний пристрій для Li-pol, а сам зарядний процес проводиться тільки під наглядом.