Устройство и принцип работы литий-полимерных аккумуляторов

Литий-полимерными (Li-Polymer) называют литий-ионные полимерные аккумуляторы, так как это – его новая ступень развития одного семейства портативных энерго ячеек. Полимерные материалы используются в качестве электролита. Батареи данного типа имеют гибкую оболочку – пакет, благодаря чему получаются более лёгкими и имеют ощутимое преимущество в удобства применения перед твёрдыми литий-ионными АКБ. Вес, гибкость формы и удельная ёмкость – критически важные параметры для мобильных устройств, таких как мобильная цифровая техника (телефоны, планшеты, ноутбуки), радиоуправляемые игрушки и модели.

Применять литий-ионные АКБ активно использовали в промышленности в начале 90-х годов, а спрос бытового сектора применения и развитие промышленных возможностей производства обеспечили быстрое освоение этой технологии в быту. Именно тогда и были разработаны первые варианты литий-полимерных ячеек в гибком корпусе, которые обозначались (Li-Pol или Li-Po).

Гибкая оболочка привносит большую степень свободы для производителей портативной техники. Используя аккумуляторы «неправильной», произвольной формы, можно добиться максимальной компактности устройства в целом, а меньшие габариты это экономия веса. Наиболее ярко вес ощущается в сфере мобильных гаджетов и летающих или плавающих игрушек и радио - управляемых моделей. Так к примеру одними из качественных Li-Pol аккумуляторов для телефонов есть аккумуляторы Grand Premium https://mobi-aks.com.ua/akkumulyatory/grand-premium/. Не последнюю роль играет и вес самого корпуса батареи.

Полимеры, применяемые в качестве электролита имеют консистенцию геля, что позволяет литий-полимерным аккумуляторам получить большую удельную энергоёмкость, по сравнению с их предшественниками литий-ионными аккумуляторами. Типичный литий-полимерный аккумулятор имеет четыре внутренних компонента:

– Анод. Положительно заряженный металл.
– Катод. Отрицательно заряженный металл.
– Сепаратор. Полимер, зачастую это, микропористая полиэтиленовая или полипропиленовая плёнка.
– Электролит.

Положительный электрод состоит из трёх компонентов:
– Литий-оксид марганца или оксид литий-кобальта (в любом варианте это литий-переходной материал).
– Полимерное связующее звено – поливинилиден-фторид.
– Проводящая добавка (может отличаться у разных производителей)

Отрицательно заряженный электрод конструкционно отличается от положительно заряженного, лишь тем, что вместо оксидов литиевых соединений, в них используется графит (карбонат-оксид соединение). Связующий полимер и проводящая добавка используются те же.

Принцип работы литий-ионных аккумуляторов одинаков, как для ранних жидко электролитных, так и более продвинутых полимерных, полимерных аккумуляторов. В основе лежит интеркаляция и деинкаляция (принцип встраивания) ионов лития в разно заряженные электроды. Эти ионы перемещаются через электролит, как через единственную доступную проводящую среду и могут пройти через микропоры сепаратора. Микропористый полимерный сепаратор отделяет электроды друг от друга, не позволяя им соприкоснуться, для того, чтобы не произошла самопроизвольная реакция между материалами заряженных электродов. Его задача – отсеивать ионы лития и исключать бесконтрольную миграцию частиц электродов.

Напряжение между электродами, должно оставаться даже в разряженном состоянии, а полностью заряженные, они не должны превышать верхний порог напряжения. Минимальное разнится от 1.8 – 2.0 Вольт для литий-железо-фосфата (максимальное напряжение 3.6 - 3.8 Вольт), от 2.7 – 3.0 Вольт для литий-кобальт оксидных аккумуляторов (максимум 4.2 Вольт). Вся эта информация обязательно указывается в технической документации. Для поддержания зарядов в обязательном диапазоне, все элементы питания (АКБ) оснащаются защитной схемой, а в случае, если энерго ячейки собираются в корпусе последовательным соединением, то он оснащается ещё и балансирующим контроллером, который удерживает напряжение во всех ячейках одинаковым.

Уровень саморазряда литий-полимерных батарей, всего 5 процентов в месяц, а количество рабочих циклов (полная зарядка-разрядка) достигает, в среднем, 900. В бытовых аккумуляторах данного типа, при разрядных токах и удвоенном значении номинальной ёмкости (2С) удельная ёмкость снижается всего на 20 процентов за всё время службы. Для промышленных нужд активно разрабатываются специализированные элементы питания, для которых отдача в нагрузку токов, превышающих номинальные значения, происходит безболезненно.

За преимущество в одном приходится расплачиваться недостатками в другом. Так, например, лёгкий, тонкий, гибкий корпус более уязвим к физическим повреждениям, таким как прокол оболочки, перегибы и повреждения электродов внутри батареи, что влечёт за собой разрушение сепаратора и контакт разно заряженных электродов. Тонкая оболочка так же подвергает батарею температурной уязвимости. Естественный нагрев, в процессе эксплуатации в горячей внешней среде может спровоцировать серьёзное повреждение батареи. Переохлаждение аккумулятора сказывается на скорости течения внутренних химических процессов, что ведёт к быстрой саморазрядке. Но все эти моменты не помешали применять такую технологию в аккумулятор к телефону, смартфону или планшету.

Требования к минимальному и максимальному напряжению накладывают ограничения не режимы и способы зарядки аккумулятора: их нельзя «до заряжать» в любое удобное время, их нужно довести до приемлемого уровня разрядки, а затем непрерывно заряжать указанное в документации время. Несоблюдение режима зарядки-разрядки влечёт за собой закипание, вздутие аккумуляторной батареи, что может привести к самовозгоранию (в самых крайних случаях). В то же время, грамотно проработанный теплоотвод в дополнительном твёрдом корпусе, позволяет безопасно использовать Li-Po аккумуляторы в электромобилях.

Технология литий-полимерный аккумуляторов считается относительно молодой и продолжает активно развиваться, в то же время, происходит параллельное развитие портативных энерго потребителей, что обеспечивает Li-Pol батареям долгое доминирование в занятом сегменте рынка.