Инженерная
мысль непрерывно развивается: ее стимулируют постоянно возникающие проблемы,
требующие для своего решения разработки новых технологий. В свое время
на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные
(NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные
(Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили
NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность
отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не
смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми
аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы
от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе.
Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера
не задумываемся о том, какой аккумулятор у них внутри и чем вообще различаются
эти устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими
качествами тех или иных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать.
Тем, кто спешит и желает сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор
является оптимальным для сотового телефона, я отвечу коротко - Li-ion.
Дальнейшая информация предназначена для любознательных.
Для начала небольшой экскурс в историю.
Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году,
но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые
были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно
батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы
(перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных
с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из
всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает
самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые
металлические электроды, характеризуются и высоким напряжением, и превосходной
емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было
выяснено, что циклическая работа (заряд - разряд) литиевых аккумуляторов
приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается
тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния
из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается
к точке плавления лития - и начинается бурная реакция с воспламенением
выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов
для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано
после нескольких случаев их воспламенения.
Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой
взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов
лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые
меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные
так называемые Li-ion аккумуляторы.
Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность
стандартных NiCd [1], а в перспективе, благодаря применению
новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и
достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой
емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма
их разрядных характеристик подобна и отличается лишь напряжением).
На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов,
причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного
типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только
те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств,
и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.
Основные преимущества.
Высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех
же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
Низкий саморазряд.
Высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd
и NiMH), что упрощает конструкцию - зачастую аккумулятор состоит только
из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых
телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia).
Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более
высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления
элемента.
Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов) - результат
отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда
для восстановления емкости.
Недостатки.
Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к
дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное
напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет
напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме
того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует
температуру элемента. В результате возможность металлизации лития
практически исключена.
Аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто
лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion
аккумуляторов. По вполне очевидным причинам производители об этой
проблеме умалчивают. Незначительное уменьшение емкости становится
заметным уже через год вне зависимости от того, находился аккумулятор
в эксплуатации или нет. Через два или три года он часто становится
непригодным к использованию. Впрочем, аккумуляторы других электрохимических
систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров
(это особенно справедливо для NiMH, подверженных воздействию высокой
температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения храните
заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном
месте отдельно от телефона.
Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами.
Затруднено быстрое тестирование [1] аккумуляторов
(например, на анализаторе Cadex C7xxx), поскольку технология их изготовления
до конца еще не отработана и постоянно меняется.
Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается.
Она обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как ведут
себя новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.
Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с
обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость. Попытки
решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol
или Li-polymer) аккумуляторов.
Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе
используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой
твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий
электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными
атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет
традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.
Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей
безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной
формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает
возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного
миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы,
очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.
Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной
электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление
их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для
современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных
компьютеров. В то же время при нагревании до 60 °C и более электропроводность
Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового
использования это не годится.
Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим
твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные
аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году.
Они будут стабильными, допускать1000 полных циклов заряда-разряда и
иметь более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы
Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время
используются в качестве резервных источников питания в жарком климате.
Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие
элементы, поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.
Вы спросите: как же так? На рынке вовсю продают Li-polymer аккумуляторы,
изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим,
что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто.
В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом.
Для того чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов,
в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство
Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов,
фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит.
Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство
изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer.
Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку
на данный момент именно они представляют наибольший интерес.
Итак, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой
гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обеих
систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его
и так назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется
твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит
добавляется только для увеличения ионной электропроводности.
Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства
задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по
мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги
в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить
свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые
технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы
будут дешевле литий-ионных.
А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.
Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов
достаточно подробно рассказано в статье [2]. В добавление
приведу лишь график (Рис.1) из [3], иллюстрирующий
стадии заряда, и небольшие пояснения к нему.
Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе
в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет
в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе,
равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно
равного 3 % от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается
холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий.
На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном
токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения.
К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70 % от своей емкости.
В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается
до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3 %. После этого заряд полностью
прекращается.
Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии,
то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно
его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05
В и прекращают при достижении 4.2 В
Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей
Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5
до 45 ?C. При температуре от 0 до 5 ?C рекомендуется заряжать током
в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна
температура от 15 до 25 ?C.
Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным,
поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов
аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые
он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.
А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают
до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний
порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов,
как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на
все случаи жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при
включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет
3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает,
что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная,
требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых
других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя
схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все
же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате,
если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки,
напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае
возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные
устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий
разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора.
Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе
током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном
состоянии, чем в разряженном.
Несколько слов о температурных условиях при разряде (читай во время
работы).
Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной
температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок
их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую
высокую емкость при температуре более 30°C, но длительная эксплуатация
в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion
лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует
увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом
старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры,
в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим
увеличением внутреннего сопротивления.
Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы
с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима
температура от 60°C до 100°C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу
на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются
в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися
от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных,
как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы,
особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно.
Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.
При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических
систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов
температура -20°C является пределом, при котором они прекращают функционировать,
NiCd продолжают работать до -40°C. Отмечу только, что речь опять же
идет только об аккумуляторах широкого применения.
Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких
температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен
в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов
при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в
этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.
В заключение хочу отметить, что задать вопросы и обсудить проблемы,
связанные с Li-ion, Li-polymer, а также другими типами аккумуляторов,
можно на форуме [4] в подфоруме по аксессуарам.
При написании статьи использованы материалы [3], любезно
предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой канадской
компании Cadex Electronics Inc. [5].
Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной
техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по
эксплуатации и обслуживанию приведены в [6] .
http://www.buchmann.ca/ -
"Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries
for non-engineers" - интернет-версия книги г-на Isidor Buchmann, главы
канадской компании Cadex Electronics Inc.
Инженерная
мысль непрерывно развивается: ее стимулируют постоянно возникающие проблемы,
требующие для своего решения разработки новых технологий. В свое время
на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные
(NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные
(Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили
NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность
отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не
смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми
аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы
от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе.
Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера
не задумываемся о том, какой аккумулятор у них внутри и чем вообще различаются
эти устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими
качествами тех или иных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать.
Тем, кто спешит и желает сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор
является оптимальным для сотового телефона, я отвечу коротко - Li-ion.
Дальнейшая информация предназначена для любознательных.
Для начала небольшой экскурс в историю.
Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году,
но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые
были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно
батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы
(перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных
с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из
всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает
самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые
металлические электроды, характеризуются и высоким напряжением, и превосходной
емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было
выяснено, что циклическая работа (заряд - разряд) литиевых аккумуляторов
приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается
тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния
из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается
к точке плавления лития - и начинается бурная реакция с воспламенением
выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов
для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано
после нескольких случаев их воспламенения.
Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой
взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов
лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые
меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные
так называемые Li-ion аккумуляторы.
Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность
стандартных NiCd [1], а в перспективе, благодаря применению
новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и
достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой
емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма
их разрядных характеристик подобна и отличается лишь напряжением).
На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов,
причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного
типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только
те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств,
и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.
Основные преимущества.
Высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех
же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
Низкий саморазряд.
Высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd
и NiMH), что упрощает конструкцию - зачастую аккумулятор состоит только
из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых
телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia).
Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более
высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления
элемента.
Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов) - результат
отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда
для восстановления емкости.
Недостатки.
Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к
дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное
напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет
напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме
того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует
температуру элемента. В результате возможность металлизации лития
практически исключена.
Аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто
лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion
аккумуляторов. По вполне очевидным причинам производители об этой
проблеме умалчивают. Незначительное уменьшение емкости становится
заметным уже через год вне зависимости от того, находился аккумулятор
в эксплуатации или нет. Через два или три года он часто становится
непригодным к использованию. Впрочем, аккумуляторы других электрохимических
систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров
(это особенно справедливо для NiMH, подверженных воздействию высокой
температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения храните
заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном
месте отдельно от телефона.
Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами.
Затруднено быстрое тестирование [1] аккумуляторов
(например, на анализаторе Cadex C7xxx), поскольку технология их изготовления
до конца еще не отработана и постоянно меняется.
Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается.
Она обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как ведут
себя новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.
Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с
обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость. Попытки
решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol
или Li-polymer) аккумуляторов.
Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе
используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой
твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий
электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными
атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет
традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.
Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей
безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной
формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает
возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного
миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы,
очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.
Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной
электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление
их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для
современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных
компьютеров. В то же время при нагревании до 60 °C и более электропроводность
Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового
использования это не годится.
Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим
твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные
аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году.
Они будут стабильными, допускать1000 полных циклов заряда-разряда и
иметь более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы
Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время
используются в качестве резервных источников питания в жарком климате.
Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие
элементы, поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.
Вы спросите: как же так? На рынке вовсю продают Li-polymer аккумуляторы,
изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим,
что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто.
В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом.
Для того чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов,
в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство
Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов,
фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит.
Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство
изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer.
Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку
на данный момент именно они представляют наибольший интерес.
Итак, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой
гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обеих
систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его
и так назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется
твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит
добавляется только для увеличения ионной электропроводности.
Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства
задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по
мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги
в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить
свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые
технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы
будут дешевле литий-ионных.
А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.
Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов
достаточно подробно рассказано в статье [2]. В добавление
приведу лишь график (Рис.1) из [3], иллюстрирующий
стадии заряда, и небольшие пояснения к нему.
Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе
в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет
в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе,
равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно
равного 3 % от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается
холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий.
На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном
токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения.
К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70 % от своей емкости.
В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается
до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3 %. После этого заряд полностью
прекращается.
Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии,
то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно
его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05
В и прекращают при достижении 4.2 В
Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей
Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5
до 45 ?C. При температуре от 0 до 5 ?C рекомендуется заряжать током
в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна
температура от 15 до 25 ?C.
Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным,
поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов
аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые
он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.
А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают
до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний
порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов,
как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на
все случаи жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при
включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет
3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает,
что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная,
требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых
других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя
схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все
же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате,
если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки,
напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае
возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные
устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий
разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора.
Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе
током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном
состоянии, чем в разряженном.
Несколько слов о температурных условиях при разряде (читай во время
работы).
Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной
температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок
их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую
высокую емкость при температуре более 30°C, но длительная эксплуатация
в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion
лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует
увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом
старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры,
в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим
увеличением внутреннего сопротивления.
Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы
с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима
температура от 60°C до 100°C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу
на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются
в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися
от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных,
как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы,
особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно.
Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.
При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических
систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов
температура -20°C является пределом, при котором они прекращают функционировать,
NiCd продолжают работать до -40°C. Отмечу только, что речь опять же
идет только об аккумуляторах широкого применения.
Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких
температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен
в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов
при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в
этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.
В заключение хочу отметить, что задать вопросы и обсудить проблемы,
связанные с Li-ion, Li-polymer, а также другими типами аккумуляторов,
можно на форуме [4] в подфоруме по аксессуарам.
При написании статьи использованы материалы [3], любезно
предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой канадской
компании Cadex Electronics Inc. [5].
Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной
техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по
эксплуатации и обслуживанию приведены в [6] .
http://www.buchmann.ca/ -
"Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries
for non-engineers" - интернет-версия книги г-на Isidor Buchmann, главы
канадской компании Cadex Electronics Inc.