Развитие разных технологий с использованием автономных источников питания постоянно повышает требования к аккумуляторным батареям. Аккумуляторы на основе никеля постепенно заменяются литиевыми. Технические характеристики при этом совершенствуются и становятся лучше. Li-polymer и Li-Ion - новые устройства, способные обеспечивать энергией аппараты начиная с мобильных телефонов и заканчивая электромобилями и летательными аппаратами.

Особенности литиевых аккумуляторов

Опыты по созданию начались ещё в 1912 году, но только в начале 70-х годов появились первые батареи, которые стали использоваться в бытовых приборах. Создание аккумуляторов на основе лития было затруднено в связи с тем, что при работе с циклами заряд-разряд уменьшается тепловая стабильность и возникает опасность воспламенения устройства.

В результате исследований были разработаны устройства на основе ионов лития.

Достоинства и недостатки Li-Ion

Li-Ion безопасны и обладают большим количеством преимуществ. Сейчас существует много видов аккумуляторов Li-Ion, они имеют различные характеристики, но можно говорить об общих для всех типов преимуществах и недостатках. Некоторые из проблемных мест вызвали необходимость разработки Li-polymer батарей.

Li-Ion батареи всегда цилиндрической формы. Основные достоинства этого типа устройств:

• Высокая энергетическая ёмкость. Энергия отдаётся заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого значения.
• Низкий саморазряд.
• Не требуют обслуживания.
• Не нужны циклы разряда для восстановления ёмкости.

Главный недостаток - необходимость защитных мер, ограничивающих напряжение при зарядке и максимальные значения тока при зарядке и разрядке. Это противодействует воспламенению элемента. Дополнительным минусом этого типа батарей является старение.

Даже если батарея не используется, со временем происходит значительное уменьшение ёмкости.

Li-polymer батареи

Проблемы с обеспечением электробезопасности Li-Ion привели к созданию батарей, в которых жидкий электролит заменили на полимер. Благодаря твёрдому наполнению, аккумуляторы могут принимать любую форму и имеют малую толщину. Обычно они выпускаются в форме пластины или бруска, что позволяет удобно размещать их в батарейном отсеке. Ли-Пол - это новый тип батарей экологически безопасный, обладающий большой плотностью заряда. Используется в мобильных телефонах, фотоаппаратах, цифровой технике.

Недостатки аккумуляторов типа Li-polymer:

Для того чтобы сгладить все эти недостатки, производители батарей добавляют небольшое количество гелевого электролита к полимерному.

Правила эксплуатации

Правила эксплуатации разделяются на зависящие от пользователя и на регулируемые специально встроенным в аккумулятор контроллером. Напряжение аккумулятора должно находиться в интервале 4,2-2,7 В . Это максимальные и минимальные значения. В зависимости от материала электродов эти цифры могут немного изменяться. Контроллеры не позволяют напряжению в аккумуляторе во время заряда стать больше 4.2 В , а минимальное напряжение будет зависеть от устройства, в котором батарея используется.

Для сложной техники может не хватить минимального напряжения и потому в телефонах и планшетах часто имеется дополнительный контроллер.

Наибольшая долговечность источника питания обеспечивается при уровне заряда 45%. При больших или меньших значениях срок службы прибора уменьшается.

Правила, которые должны соблюдать пользователи, способны значительно увеличить срок службы аккумулятора. Основные рекомендации:

Какой аккумулятор лучше использовать: Li-pol или Li-ion, производители оборудования решают исходя из конкретных технологических процессов и характеристик изделия. Разница между этими источниками питания не очень велика. Но, хотя свойства обоих видов аккумуляторов похожи, особенность Li-polymer состоит в том, что в нём используется твёрдый электролит, а гелевый добавляется только для увеличения ионной электропроводности.

Развитие технологий позволяет ожидать двух-трёхкратного увеличения ёмкости батарей в ближайшие годы, но вместе с этим будут уменьшаться размеры, так что время работы, вероятно, не изменится.

Постоянное развитие технологий благоприятно сказывается на множестве аспектов жизни людей. Наличие потребности иметь высокопроизводительные источники питания с хорошим соотношением уровня безопасности, стоимости и эксплуатационных качеств, привели к созданию литий полимерных элементов.

Содрежание

Что такое литий полимерный аккумулятор

Li polymer аккумуляторы являются гальваническими источниками питания, в которых в качестве электролита используются полимерные материалы, насыщенные литием.

Литий полимерная технология стала новым этапом развития литий-ионных источников питания, который удешевил процесс их производства и позволил создавать миниатюрные и гибкие батареи.

При покупке и использовании таких батарей необходимо понимать нанесенную на них маркировку, которая имеет следующие особенности:

• емкость АКБ обозначается в mAh;
• число рядом с английской буквой S в маркировке обозначает количество отдельных элементов (банок) в батарее, каждая из которых имеет номинальное напряжение 3,7 вольта и максимальное – 4,2 вольта;
• число рядом с буквой C означает максимальную токоотдачу в единицах C. Максимальный ток разряда в миллиамперах в час равен емкости АКБ, умноженной на эту величину;
• число рядом с буквой P обозначает количество параллельно включенных банок. При использовании одной банки эту величину обычно не указывают.

Таким образом, обозначение 2600 mAh 3S 20C обозначает Li-polymer батарею емкостью 2600 мАч с номинальным напряжением 11,1 вольт (максимальным 12,6 вольт), с тремя последовательно соединенными банками и допустимым током разряда 52 ампера (2600х20=52000 мА).

Как осуществляется производство литий полимерных аккумуляторов

При производстве Li-polymer источников питания используется такая технология:

1. Осуществляется контролируемое нанесение суспензии с активными материалами катода и анода (два разных процесса) на поверхность алюминиевой или медной фольги, которая выступает в роли токоприемника.
2. Фольга с нанесенным материалом сушится, нарезается на элементы необходимого размера и формы.
3. Осуществляется подготовка полимерного электролитного сепаратора, который затем помещают между слоями фольги с активными материалами катода и анода.
4. Производится сборка многослойной батареи, ее герметизация и просушка.
5. При использовании полимерного сепаратора, требующего наличия вкраплений гелевого электролита, осуществляется его заполнение нужным количеством электролитной жидкости.
6. Производится установка контактных площадок, упаковка в защитную оболочку и обрезка ее выступающих частей.
7. Устанавливаются внешние клеммы аккумуляторов.
8. Производится контрольный цикл зарядки/разрядки и тестирование.
9. Осуществляется отбраковка, сортировка по емкости и нанесение соответствующих обозначений.
10. При необходимости к клеммам батареи подпаиваются провода.
11. Осуществляется контроль качества, упаковка элементов батареи в корпус, на который наносят необходимую маркировку и упаковку.

Принцип работы и устройство литий полимерного аккумулятора

Принцип работы Li pol батарей основан на использовании полупроводникового эффекта в полимерных веществах с включениями ионов электролита. Добавление электролита в полимеры вызывает увеличение их ионной проводимости при сохранении изоляционных свойств пластика по отношению к электронам.

Электродвижущая сила в отношении ионов лития возникает в результате обратимой химической реакции между анодом (плюсом) из углерода (обычно графит) и катодом (минусом) из кобальта, оксида ванадия или марганца, помещенными в полимерный электролит с солями лития.

Существует три вида полимерных электролитов:

1. Полностью сухие полимерные электролиты, которые представляют собой пластик с добавлением солей лития – дают малый ток при комнатных температурах, недостаточный для большинства современных устройств и стоят дороже обычных литий-ионных батарей.
2. Гелеобразные полимерные электролиты, которые представляют собой сухие полимерные электролиты с вкраплениями пластификаторов-растворителей – имеют приемлемые показатели емкости, силы тока и стоимости и наиболее часто применяются на практике.
3. Неводные растворы солей лития, распределенные в микропористой полимерной матрице с помощью абсорбирования.

Массово продающиеся Li Po аккумуляторы фактически являются гибридами, совмещающими в себе не только чистый сухой полимерный электролит, но и небольшое количество гелевого электролита, который содержат и литий-ионные источники.

Добавление вкраплений гелевого электролита в твердый полимерный электролит увеличивает его ионную электропроводность и электрические характеристики, в частности, увеличивается рабочий ток до величины, необходимой для большинства современных малогабаритных устройств.

Литий полимерный аккумулятор: плюсы и минусы

Li-polymer источники питания имеют следующие преимущества:

• высокая энергетическая плотность по отношению к их массе, большая, чем у никель-кадмиевых АКБ в 4-5 раз, и в 3-4 раза большая, чем у никель-металлогидридных источников питания;
• малый ток саморазряда и высокая токооотдача;
• возможность создания гибких и очень тонких изделий;
• отсутствие эффекта памяти;
• сохранение напряжения в допустимых пределах при рабочем разряде;
• большой диапазон допустимых температур при эксплуатации (от -20 до +40 градусов).

Литий-полимерным батареям присущи некоторые недостатки:

• пожароопасность в случае перезаряда/перегрева. Эти батареи требуют использования защитной электроники, которая отслеживает зарядной ток и температуру, а также специального алгоритма зарядки;
• эффект старения, приводящий к снижению емкости при долгом хранении и эксплуатации (считается, что АКБ теряет до 20% емкости за каждый год);
• выход из строя при глубоком разряде (ниже 3 вольт);
• боязнь перегрева выше 60 градусов и перезаряда выше 4,2 вольта (при напряжении выше 4.5 вольт возможен взрыв);
• использование тонкой оболочки (обычно в виде фольги) в некоторых таких батареях удешевляет стоимость Li Pol элементов, но в то же время уменьшает их прочность.

Где применяются Li Pol АКБ

Этот вид источников питания благодаря небольшому весу и высокой мощности широко применяется для обеспечения питания малогабаритных и крупногабаритных устройств, среди которых:

• мобильные телефоны и смартфоны;
• радиоуправляемые модели, квадракоптеры, микросамолеты;
• электроинструмент;
• цифровая техника, ультрабуки;
• электромобили.

Правила эксплуатации Li Pol аккумуляторов

Для обеспечения необходимого уровня безопасности и продления срока эксплуатации исправных батарей, необходимо придерживаться следующих правил:

1. при наличии повреждений, вздутости элементов питания, их нельзя использовать, а необходимо подвергнуть утилизации;
2. заряд батарей нужно производить качественным зарядным устройством под присмотром, не допуская перегрева батареи. Если во время зарядки появляется запах гари, вздутие, воспламенение, необходимо немедленно ее прекратить и отключить АКБ от зарядного устройства;
3. лучше производить зарядку на негорючей поверхности, например на керамической плитке или фарфоровой тарелке, после полной зарядки источника питания лучше дать ему остыть и только потом начинать его использовать;
4. нельзя допускать разряда ниже 3 вольт, перегрева или переохлаждения, которые уменьшают емкость и общее количество циклов заряда-разряда;
5. наибольшая продолжительность эксплуатации LiPo элементов достигается при поддержании их уровня заряда на уровне 45%;
6. самый лучший зарядный режим для LiPo АКБ осуществляется зарядными устройствами от компании Sony на протяжении примерно трех часов. Он проходит в три этапа:
   • Сначала на протяжении примерно одного часа производится зарядка до 70% постоянным током величиной 0,5-1 от величины токоотдачи батареи до напряжения 4,2 вольта;
   • Подзарядка продолжительностью 1 час до 90% напряжением не более 4,2 вольта с постепенно уменьшающимся током (до примерно 0,2 от токоотдачи);
   • На третьем этапе производится подзарядка на протяжении часа до 100% небольшим постоянно уменьшающимся током.

Дешевые зарядные устройства заканчивают заряд на первом этапе, по достижению напряжения 4,2 v, поэтому батарея не набирает своей полной емкости.

• не допускать ударов по батарее, коротких замыканий или разряда очень высокими токами, перезарядки выше 4,2 вольт на элемент составной батареи - все эти причины могут вызвать пожар;
• если используются составные батареи из нескольких Li Pol элементов, то их заряд лучше производить по отдельности, либо использовать специальный выравнивающий заряд с балансировкой по каждому элементу. Принцип работы такого устройства заключается в остановке заряда отдельных элементов по достижении ими напряжения около 4,17 вольт;
• перед вводом в эксплуатацию новых батарей лучше произвести их калибровку путем двухразового полного заряда и разряда.

В некоторых Li Pol батареях при разряде ниже 2,5 вольт возможна металлизация лития, которая приводит к созданию токопроводящих мостиков внутри батареи и короткому замыканию. При зарядке такой батареи происходит неконтролируемый нагрев, который может привести к взрыву такого источника питания. Поэтому батареи, в которых напряжение упало ниже критического уровня 3 вольт лучше уже не использовать, а при падении напряжения до 2,5 вольт и ниже они подлежат обязательной утилизации.

Как хранить литий полимерный аккумуляторы

Хранить заряженные LiPo батареи желательно в защитных чехлах при комнатной температуре при зарядке на уровне 3,6-3,8 вольт.

Перед постановкой на хранение LiPo элементов рекомендуется их зарядить до 40-50%, отключить от устройств, которые они питают и периодически, хотя бы раз в полгода проверять уровень заряда.

Утилизация литий полимерных аккумуляторов

Утилизация LiPo источников питания имеет особую актуальность в связи с их высокой пожароопасностью. Они менее токсичны, чем никель-кадмиевые батареи, но все же содержат вредные для экологии вещества.

Чтобы полностью и безопасно утилизировать Li-polymer элементы питания необходимо соблюдать следующие требования:

• утилизация разряженных батарей производится в пластиковых контейнерах с водно-солевым раствором (примерно полстакана соли на 1 литр воды) на протяжении около 2-х недель (до прекращения газообразования) в нежилом помещении. После этого их можно выбрасывать с обычным мусором;
• перед утилизацией батареи должны быть разряженными хотя бы до одного вольта (это можно делать лампочкой в качестве нагрузки);
• если корпус батареи поврежден, то ее не нужно разряжать, а необходимо произвести утилизацию в водно-солевом растворе;
• если разряд производится током более допустимого, связанного с величиной максимальной токоотдачи C, то батарея должна находиться в ведре с песком или в другом месте с защитой от возгорания;
• не допускается механическое разрушение необработанных в солевом растворе батарей, из-за которого может произойти возгорание. Особенно опасны в этом отношении элементы питания с кобальтовым катодом.

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) мы получили возможность использовать литиевые аккумуляторы. При сравнимом весе одного элемента они имеют большую, по сравнению с NiCd и NiMH емкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3.6V/элемент вместо 1.2V. Так что для большинства моделей достаточно батареи из двух или трех элементов.

Среди литиевых аккумуляторов различают два основных типа - литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (LiPo, Li-Po или Li-Pol). Разница между ними – в типе используемого электролита. В случае LiIon – это гелевый электролит, в случае LiPo – специальный полимер, насыщенный литийсодержащим раствором. Но для использования в силовых установках моделей наибольшее распространение получили литий-полимерные аккумуляторы, так что в дальнейшем разговор пойдет именно о них. Впрочем, жесткое разделение тут весьма условно, так как оба типа отличаются в основном используемым электролитом, и все, что будет сказано про литий-полимерные аккумуляторы, практически в полной мере относится и к литий-ионным (заряд, разряд, особенности эксплуатации, техника безопасности). С практической точки зрения нас волнует только тот момент, что литий-полимерные аккумуляторы в настоящий момент обеспечивают более высокие разрядные токи. Поэтому на модельном рынке в качестве источника энергии для силовых установок в основном предлагают именно их.

Основные характеристики

Литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd в 4-5 раз, NiMH в 3-4 раза. Количество рабочих циклов 500- 600, при разрядных токах в 2С до потери емкости в 20% (для сравнения - у NiCd- 1000 циклов, у NiMH – 500). Вообще говоря, каких–либо данных по количеству рабочих циклов пока еще очень мало и к приведенным в данном случае их характеристикам необходимо относиться критически. Кроме того, технология их изготовления совершенствуется, и возможно, что в данный момент цифры по этому типу аккумулятора уже другие. Так же, как и все аккумуляторы, литиевые подвержены старению. Через 2 года батарея теряет около 20% ёмкости.

Из всего многообразия силовых литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы - быстроразрядные (Hi discharge) и обычные. Отличаются они между собой максимальным разрядным током - его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой букой «С». Например, если ток разряда 3С, а емкость аккумулятора – 1 Ач, то ток будет равен 3 А.

Максимальный ток разряда обычных аккумуляторов, как правило, не превышает 3С, некоторые производители указывают 5С. Быстроразрядные аккумуляторы допускают ток разряда до 8-10С. Такие аккумуляторы несколько тяжелее своих слаботочных собратьев (примерно на 20%), и в названии у них после цифр емкости присутствуют буквы HD или HC, например KKM1500 – обычный аккумулятор емкостью 1500 мАч, а KKM1500HD – быстроразрядный. Хочется сразу сделать небольшое замечание для любителей экспериментов. В бытовой технике быстроразрядные аккумуляторы не применяются. Поэтому если вас посетит идея добыть по дешевке аккумулятор из сотового телефона или видеокамеры, то на хороший результат тут рассчитывать сложно. Скорее всего, такая батарея очень быстро умрет из-за нарушения предусмотренных режимов эксплуатации.

Области применения и стоимость

Применение литий-полимерных аккумуляторов позволяет решить две важные задачи - увеличить время работы мотора и снизить вес батареи.

При замене батареи 8.4 V NiMH 650 мАч двумя обычными, не быстроразрядными литиевыми аккумуляторами емкостью 2 А*ч, получаем батарею в 3 раза большей емкости, легче на 11 г и с несколько меньшим напряжением (7.2 вольта)! А если использовать быстроразрядные аккумуляторы, вот тогда и большие самолеты могут летать, не уступая в энерговооруженности ДВСу. В подтверждение этому, 7-е место в первенстве мира по пилотажным моделям F3A занял американец на электролете. Причем это была не маленькая жужжалка, а нормальный двухметровый самолет, как у остальных участников, имевших модели с двигателями внутреннего сгорания!

Очень хорошо зарекомендовали себя литий-полимерные аккумуляторы на небольших вертолетах, таких, как Piccolo или Hummingbird - например, даже при использовании стандартного коллекторного мотора время полета на двух банках емкостью 1 Ач составляет более 25 минут! А при замене мотора на бесколлекторный - более 45 минут!

И, конечно, литиевые аккумуляторы просто незаменимы, когда речь идет о комнатных самолетах весом 4-20 г. В этой области NiCd с ними сравниться не может - просто нет таких батарей (например, вес 45 мАч банки-1 г, 150 мАч - 3.2 г), которые при столь малом весе давали бы необходимую мощность - пусть даже в течение 1 минуты!

Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают Ni-Cd - это область супервысоких (40-50С) разрядных токов. Но прогресс идет вперед, и, может быть, через пару лет мы услышим про новые успехи в этой области - ведь 2 года назад про быстроразрядные литиевые аккумуляторы тоже никто не слышал...

Вот, для примера, основные характеристики LiPo аккумуляторов Kokam:

По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH.

Производители

В настоящее время существует несколько фирм-производителей литий- полимерных аккумуляторов. Лидером по количеству выпускаемых аккумуляторов и одним из первых по качеству является Kokam. Также известны фирмы Thunder Power, I-Rate , E-Tec, и Tanic (предположительно, это второе название Thunder Power или же это один из продавцов Thunder Power под своим названием). Посмотреть типы Kokam-а можно на сайте www.fmadirect.com , батареи разных производителей предлагаются на сайте www.b-p-p.com и www.lightflightrc.com .

Есть еще Platinum Polymer, предлагаемый на сайте www.batteriesamerica.com , предположительно - это другое название I-Rate .

Ассортимент емкости аккумуляторов весьма широк – от 50 до 3000мАч. Для получения больших емкостей используют параллельное соединение аккумуляторов.

По форме все батареи плоские. Как правило, их толщина меньше самой короткой стороны более чем в 3 раза, и выводы делаются с короткой стороны в виде плоских пластин.

I-Rate, насколько мне известно, быстроразрядных аккумуляторов пока не делает, и их аккумуляторы имеют одну особенность: один из электродов у них алюминиевый, и паять его проблематично. Это делает их неудобными при самостоятельной сборке батареи.

Аккумуляторы E-Tec - нечто среднее, они не заявлены как быстроразрядные, но ток их разряда выше, чем у обычных – 5-7С.

Лидерами по популярности являются Kokam и Thunder Power, причем Kokam в основном используют в легких и средних моделях, а Thunder Power на средних, больших и гигантских (более 10 кг!). Очевидно, это обусловлено ценой и наличием в ассортименте мощных сборок - до 30 вольт и 8Ач емкостью. Далее идут Tanic и E-tec, а вот про I-rate упоминаний мало. Platinum Polymer популярен почему-то только в Америке, причем используют его почти исключительно на медленных слоуфлаерах.

Зарядка литий-полимерных аккумуляторов

Заряд аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму - заряд от источника постоянного напряжения 4.20 вольт/элемент с ограничением тока в 1С. Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. После перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1С аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 2-х часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда - не хуже 0.01 в/банку.

Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить 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.

Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками. Достоинство таких зарядных устройств - низкая цена. Главный недостаток – некоторые из них не умеют правильно показывать окончание заряда. Они показывают лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости. Для полного окончания заряда надо еще подождать минут 30-40.

У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток и емкость (мАч), которую аккумулятор «принял» в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор.

При использовании зарядного устройства самое главное - правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда. Ток заряда, как правило, равен 1С.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случается или пожар, или аккумулятор «умирает».

Перечислим их в порядке убывания опасности:

1. Заряд до напряжения, превышающего 4.20 вольт/банку.
2. Короткое замыкание аккумулятора.
3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С.
4. Разряд ниже напряжения 3.00 вольта/банку.
5. Нагрев аккумулятора выше 60°С.
6. Разгерметизация аккумулятора.
7. Хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, всех остальных - к полной или частичной потере емкости.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок. Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи (из-за этого у моего друга обгорел стол, на котором заряжались аккумуляторы, и занавеска) и контролировать ток, потребляемый мотором на «полном газу». Кроме того, не рекомендуется на модели закрывать аккумуляторы со всех сторон от поступления потока воздуха, а если это невозможно, то следует предусмотреть специальные каналы для охлаждения.

В случаях, когда ток, потребляемый двигателем, составляет более 2С, а аккумулятор на модели закрыт со всех сторон, после 5-6 минут работы мотора следует его остановить, а затем вытащить и потрогать аккумулятор - не слишком ли горячий. Дело в том, что после нагрева выше определенной температуры (около 70 градусов) в аккумуляторе начинает идти «цепная реакция», превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть.

Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно умрет из-за переразряда...Отсюда следует второе важное правило: следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте аккумулятор после работы!

Некоторые регуляторы скорости (особенно этим грешат Jeti) не прекращают потребление тока после выключения штатного выключателя. Что заставило чехов принять такое странное решение – не знаю. Но факт остается фактом, практически все модели контроллеров для бесколлекторных моторов Jetti (включая и новую серию "Advanced"), в которых есть BEC, то есть стабилизатор питания приемника и машинок от силового питания, не обеспечивают полное обесточивание цепи штатным выключателем. Отключаются только приемник и сервомашинки, а контроллер продолжает потреблять ток около 20 мА. Это особенно опасно, так как не видно, что питание включено, машинки стоят, мотор молчит... И если забыть о подключенном аккумуляторе на сутки-другие, то окажется, что с ним можно попрощаться - не любит литий глубокого разряда.

Конечно, следует помнить о том, что контроллер двигателя должен уметь работать с литиевыми аккумуляторами, то есть иметь регулируемое напряжение отключения двигателя. И надо не забывать программировать контроллер на нужное количество банок. Впрочем, сейчас появилось новое поколение контроллеров, которые автоматически определяют количество подключенных банок.

Разгерметизация – еще одна причина выхода литиевых аккумуляторов из строя, поскольку внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки), в результате удара или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод - не ронять с большой высоты и паять аккуратно.

Хранение аккумуляторов, судя по рекомендациям производителей, следует производить в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температурах не выше 20°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы - как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Сборка батареи

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква P (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, а S (serial) –последовательно. Например, "Kokam 1500 3S2P" обозначает батарею, соединенную последовательно из 3-х пар аккумуляторов, и каждая пара образована 2-мя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500мач., то есть емкость батареи будет 3000мАч (при соединении параллельно емкость возрастает), а напряжение – 3,7*3 = 11,1В..

Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в батарею нужно уравнять их потенциалы. Особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую, и зарядный ток может превысить значение 1С. Желательно все купленные банки перед соединением разрядить до 3-х вольт током 0.1С – 0.2С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0.5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.

Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом, так как многие фирмы, собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.

Из-за падения емкости в результате эксплуатации ни в коем случае нельзя добавлять новые банки последовательно старым - батарея будет при этом разбалансирована.

Конечно, также нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей – например 1800 и 2000 мАч, а также использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей, так как различное внутреннее сопротивление приведет к разбалансировке батареи. При пайке следует соблюдать аккуратность, нельзя допускать перегрева выводов, - это может нарушить герметизацию и навсегда убить еще не успевший полетать аккумулятор. Некоторые типы аккумуляторов Kokam поставляются с уже припаянными кусочками печатной платы к выводам, для удобства распайки проводов. При этом добавляется лишний вес - около 1г на элемент, зато греть места для припайки проводов можно гораздо дольше - стеклотекстолит плохо проводит тепло. Провода с разъемами следует закрепить на корпусе батарее, хотя бы скотчем, чтобы случайно не оторвать вывод под корень.

Нюансы применения

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

• Используйте нормальный зарядник.
• Применяйте разъемы, исключающие возможность замыкания батареи.
• Не превышайте допустимые токи разряда.
• Следите за температурой аккумулятора при отсутствии охлаждения.
• Не разряжайте аккумулятор ниже напряжения 3 V/банку (не забывать отключать аккумулятор после полета!).
• Не подвергайте батарею ударам.

Приведем еще несколько полезных примеров, вытекающих из ранее сказанного, но неочевидных на первый взгляд.

При использовании коллекторных моторов нужно не допускать ситуаций, когда мотор застопорен (например, модель лежит на земле), а на передатчике дан полный газ. Ток при этом слишком велик, и мы рискуем взорвать батарею (если раньше не сгорит мотор или регулятор). Эта проблема неоднократно обсуждалась в форумах RC Groups . Большинство регуляторов для коллекторных моторов выключают мотор при потере сигнала от передатчика, и, если ваш регулятор умеет это делать, я бы советовал выключать передатчик, если модель упала, например, в траву далеко от вас, - меньше риск при поиске модели задеть ручку газа болтающегося на ремне передатчика и не заметить этого.

В течении долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными - какие-то банки «стареют» раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее.

Отсюда вытекает следующее правило - иногда необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи в отдельности. Для этого можно измерить его напряжение в конце заряда. Как часто? Точно это пока установить сложно - слишком мало опыта эксплуатации накоплено. Как правило, рекомендуют примерно через 40-50 циклов после начала эксплуатации раз в 10-20 циклов производить проверку напряжения элементов батареи при заряде для выявления «плохих банок».

Не рекомендуется «высаживать в ноль» батарею, гоняя мотор до тех пор, пока он не перестанет вообще вращаться. Новой батарее такое обращение не повредит, а для немного разбалансированной - это лишний риск разрядить самую «плохую банку» ниже 3-х вольт, из-за чего она еще больше потеряет емкость.

Когда емкости различаются более, чем на 20% - такую батарею без специальных мер заряжать всю целиком нельзя!

Для автоматической балансировки элементов батареи при заряде используют так называемые балансеры (balancer). Это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4.17 - 4.19 вольт. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4.17 вольт балансер замыкает часть тока «на себя», не позволяя напряжению превысить критический порог. По одновременности зажигания светодиодов видно, какие банки имеют меньшую емкость - на их балансере светодиод зажжется первым. К балансерам предъявляется одно важное дополнительное требование- ток, потребляемый ими от батареи в «ждущем» режиме должен быть мал, обычно он составляет 5-10 мкА.

Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством индикации «плохих» элементов в батарее. Вышесказанное относится к батареям, составленным из 3-х и более элементов, для 2-х баночных батарей балансеры, как правило, не применяют.

Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50 °С(при 0 °С сохраняется 80% емкости). Но тем не менее, летать на них при температурах около –10...-15 °С можно. Дело в том, что не надо перед полетом морозить батарею - положите ее в карман, где тепло. А в полете внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.

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. На Западе это время уже полгода как наступило, по крайней мере, в Америке. Популярность электролетов с литий-полимерными аккумуляторами все растет. Хочется надеяться, что бесколлекторные моторы и контроллеры к ним тоже подешевеют, но в этой области прогресс снижения цен движется менее стремительно. Ведь всего два года назад задавался в форуме вопрос - «А кто- нибудь реально летает на brushless?». А про литиевые аккумуляторы тогда упоминания не было вообще...

В общем, поживем - увидим.

Лучшие современные малогабаритные гальванические источники питания - это элементы, использующие в качестве активного компонента соединения лития. Этот материал имеет самую меньшую массу из всех доступных для практического использования металлов, благодаря чему он обладает самым большим электрохимическим потенциалом. Это позволяет получать наиболее высокую плотность тока на единицу веса изготовляемых батарей.

Содрежание

Особенности технологии

Элементы питания, изготовленные по технологии, использующей литиевые электроды и включения этого металла в состав электролита, имеют прекрасные технические параметры, высокую емкость, большой рабочий ток, долговечность и компактность.

Одними из наиболее распространенных видов таких АКБ являются литий-ионные (Li Ion) и литий-полимерные (Li Polymer) изделия. Они имеют много схожих конструктивных особенностей, но и некоторые различия, влияющие на их эксплуатационные характеристики.

Рассмотрим подробнее, какие особенности и отличия имеют аккумуляторы, изготовленные по этим технологиям.

Что общего у Li Ion и Li Pol аккумуляторов

Оба вида рассматриваемых источников питания имеют следующие одинаковые особенности:

• идентичная конструкция электродов, имеющих в составе анода углеродный материал (обычно графит), а в катоде – кобальт, оксид ванадия или марганца;
• сходная химическая реакция, в результате которой возникает электродвижущая сила в литиевых элементах, обусловленная взаимодействием электродов, разделенных электролитом с включением солей лития;
• одинаковое номинальное напряжение, равное 3,7 вольтам;
• одинаковый срок хранения, составляющий 2-3 года;
• сходство конструкции позволяет использовать одни и те же зарядные устройства для обоих видов батарей;
• они не имеют эффекта памяти, но чувствительны к сильному разряду и опасны при перезаряде (больше 4,2 вольт), при котором может произойти возгорание или взрыв;
• оба вида батарей запрещено использовать при наличии повреждений и после сильного разряда (ниже 2,7 вольт).

Различия между Li Ion и Li Pol батареями

Li pol элементы питания отличаются от литий ионных в основном по физическому состоянию электролита.

В первом случае используется твердый полимерный электролит, либо пластины с включениями гелеобразного электролита, а во втором случае электроды разделены жидким активным веществом.

Использование полностью сухого электролита снижает его активность, поэтому для улучшения эксплуатационных характеристик батарей, в него добавляют вкрапления гелевого полужидкого электролита.

Использование полимерной электролитной прослойки вместо пористого сепаратора, наполненного электролитом, усложняет технологический процесс и удорожает его, но позволяет получить более удобные и безопасные при эксплуатации источники питания.

В то же время, использование сухого полимера уменьшает активность электролита и обеспечивает приемлемые электрические параметры только при высокой температуре. В связи с этим при производстве большинства современных литий-полимерных источников используется гибридная технология, при которой в сухой полимерный материал добавляются вкрапления гелеобразного электролита. Это увеличивает его ионную электропроводность при сохранении высоких эксплуатационных характеристик.

Чем литий ионный АКБ лучше литий полимерного

Литий-ионные источники питания обладают следующими преимуществами по сравнению с литий-полимерными:

• использование более активного жидкого электролита позволяет получить более высокую энергетическую плотность и улучшенные характеристики токоотдачи при нормальной и пониженной температуре;
• производство таких АКБ обходится дешевле, чем литий полимерных элементов;
• они выдерживают большее количество рабочих циклов разряда-заряда, имеют увеличенный срок службы.

В то же время, использование активной электролитной жидкости внутри корпуса таких батарей обуславливает наличие ряда недостатков:

• необходимо использовать более герметичные и прочные корпуса для предотвращения утечки электролита;
• увеличивается общий вес батарей;
• уменьшается универсальность использования;
• Li ion батареи более взрывоопасны, сильнее боятся перезаряда, требуют использования специальных встроенных устройств защиты;
• им необходим больший по продолжительности времени заряд с обязательным контролем максимального напряжения и температуры;
• они имеют меньшую емкость при одинаковых размерах;
• высокая активность жидкого электролита обуславливает более быстрое старение литий-ионных моделей батарей, которые теряют около 0,1% от общей емкости в месяц.

Чем литий полимерный АКБ лучше литий ионного

Li po источники питания обладают следующими преимуществами:

• использование сухого или полусухого электролита позволяет изготавливать компактные батареи любой формы и размера, а также делать их гибкими;
• они имеют меньший вес и размеры по сравнению с идентичными по рабочим характеристикам литий-ионными АКБ;
• более высокая (почти в два раза) емкость при одинаковом общем объеме батареи;
• лучшая безопасность и меньший риск перезаряда, отсутствие риска утечки электролита;
• меньшее время, необходимое для зарядки;
• меньшая изнашиваемость.

Литий-полимерные источники питания имеют и недостатки:

• уменьшенную энергетическую плотность, поэтому у них меньше допустимый ток разряда и меньше максимальная отдаваемая мощность;
• они более дороги в производстве;
• они выдерживают меньшее количество циклов заряд-разряд.

Что лучше выбрать li ion или li polymer

Между обоими видами батарей существует не столь большая разница, которая позволила бы сделать однозначный выбор в пользу того, или иного элемента питания. Выбор необходимого вида АКБ необходимо осуществлять в зависимости от каждого конкретного случая.

Особенности литий─полимерных аккумуляторов и правила их эксплуатации

Литий─полимерный аккумулятор представляет собой модифицированный вариант литий─ионных батарей. Главное отличие заключается в применении полимерного материала, исполняющего роль электролита. В этот полимер добавляются токопроводящие включения с соединениями лития. Подобные аккумуляторы в последние годы активно развиваются и используются в мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках, радиоуправляемых моделях и другой технике. Несмотря на то что литиевые аккумуляторы неспособны обеспечивать высокие токи разрядки, некоторые специальные разновидности полимерных АКБ могут отдавать ток, значительно превышающий их ёмкость. Поскольку литий─полимерные аккумуляторы быстро распространяются на рынке, нужно иметь представление об их устройстве, правилах эксплуатации и технике безопасности при обращении с ними. Об этом речь пойдёт в нашем сегодняшнем материале.

Преимуществом замены жидкого органического электролита в на полимерный является повышение безопасности эксплуатации АКБ. Это очень важно для аккумуляторов литиевого типа. Именно безопасное использование в коммерческих целях с самого начала сдерживало их развитие. Кроме того, полимерный электролит даёт значительно больше свободы при выборе формы аккумуляторной батареи.

В основу устройства Li─Pol аккумуляторных батарей был положен процесс перехода ряда полимеров в полупроводниковое состояние при внедрении ионов электролита в них. При этом проводимость возрастает в несколько раз. Исследователи в основном были заняты подбором полимерного электролита для АКБ с металлическим литием и Li─Ion моделей. В теории допускается увеличение энергетической плотности батарей с полимером в несколько раз по сравнению с литий─ионными. На сегодняшний день можно выделить несколько групп Li─Pol аккумуляторов, отличающихся по составу электролита:

• С гелеобразным гомогенным электролитом. Он получается в результате внедрения в структуру полимера солей лития;
• С сухим полимерным электролитом. Этот тип изготавливается на основе полиэтиленоксида с разными солями лития;
• Электролит в виде микропористой полимерной матрицы, в которой сорбированы неводные растворы литиевых солей.

Если сравнивать полимерный и жидкий электролит, то стоит отметить меньшую ионную проводимость первого. Она существенно снижается при отрицательных температурах. Так, что одна проблема была в том, чтобы подобрать состав для электролита с высокой проводимостью. А вторая важная задача была в расширении диапазона рабочих температур полимерных АКБ. Модели литий─полимерных аккумуляторов, используемых в современной технике, по своим характеристикам не уступают Li─Ion.

Поскольку в полимерной батарее отсутствует жидкий электролит, их безопасность при эксплуатации значительно выше. Кроме того, они могут выполняться практически любой формы и конфигурации.

Контейнеры некоторых моделей, в которых находится сама банка, выполнены из металлизированных полимер. Из-за кристаллизации полимерного электролита параметры этих АКБ значительно снижаются при отрицательных температурах.

Есть разработки полимерных АКБ с металлическим анодом. Учёным удалось добиться высокой плотности тока и значительного расширения рабочего интервала температур. Эти разновидности аккумуляторов также могут использоваться в различной портативной электронике и бытовой технике. Выпуском подобных аккумуляторов уже занимаются многие ведущие компании.

Причём у разных производителей могут отличаться материалы электродов, состав электролита и сама технология сборки. По этой причине сильно отличаются и параметры этих АКБ. Однако все производители сходятся в том, что стабильность работы Li─Pol сильное влияние оказывает однородность полимерного электролита. А она зависит от температуры полимеризации и соотношения компонентов.

Сейчас уже есть множество проведённых экспериментов, которые доказывают более высокий уровень безопасности полимерных АКБ по сравнению с ионными. Это касается перезаряда, ускоренного разряд, вибрации, сжатия, короткого замыкания, прокалывания литий─полимерных батарей. Так, что этот вид аккумуляторов имеет самые хорошие перспективы развития. Ниже приведены результаты тестов на безопасную эксплуатацию Li─Pol аккумуляторов.

Есть примеры литий─полимерных аккумуляторов, которые имеют толщину 1 миллиметр. Такие модели позволяют конструкторам мобильных устройств создавать очень компактную аппаратуру. Это открывает новые возможности по уменьшению размеров электронных устройств. Для уменьшения внутреннего сопротивления Li-Pol аккумуляторов добавляется гелевый электролит. В батареях, которые используются в мобильных телефонах, применяется такая разновидность электролита. Они сочетают в себе черты полимерных и ионных батарей.

В чём же разница между Li─Ion и Li─Pol аккумуляторными батареями. Они относятся к и близки по своим электрическим характеристикам. Но полимерные модели используют твёрдый электролит. Гелевая составляющая вносится в электролит для снижения внутреннего сопротивления батареи и стимуляции ионообменных процессов.

По своей энергоёмкости литий─полимерные аккумуляторные батареи имеют удельную энергоёмкость в 4─5 раз больше и в 3─4 раза выше . Оба этих типа относятся к . Сравнение производится именно с ними, поскольку в основном литиевые батареи заменили щелочные в мобильной электронике.

Li─Pol батареи имеют ресурс в 500─600 циклов заряд-разряд (при токе разряда 2С). По этому показателю они проигрывают кадмиевым (1 тысяча циклов) и примерно соответствуют металлогидридным. Технология производства и конструкция постоянно совершенствуется и в будущем, возможно, характеристики улучшаться. Стоит также отметить, что за 1─2 года полимерная АКБ теряет примерно 20% от своей ёмкости. По этому параметру они соответствуют ионным аккумуляторам.

Следует отметить, что среди полимерных батарей для коммерческого использования есть 2 крупные категории. Это обычные и быстроразрядные. Последние ещё часто называют Hi discharge. Различие между этими группами заключается в максимально допустимом разрядном токе. Он может указываться в абсолютной величине или кратно номинальной ёмкости.

Например, 3С. Для обычных аккумуляторных батарей максимальный ток разряда не более 3─5С. Быстроразрядные модели имеют максимальный ток разряда 8─10С. Масса быстроразрядных АКБ приблизительно на 20 процентов выше, чем у стандартных моделей. В маркировке таких батарей присутствуют символы HC или HD.

KKM2500 обозначает обычную модель ёмкостью 2500 мАч, а маркировка KKM2000HD расшифровывается, как быстроразрядный аккумулятор ёмкостью 2000 мАч. Быстроразрядные модели не используются в бытовой технике и потребительской электронике. АКБ из сотовых телефонов и планшетов не выдерживают высоких разрядных токов, и поэтому оснащены защитой от таких режимов эксплуатации.

Области применения литий─полимерных аккумуляторов вытекают из задач, которые ставились при их разработке. Это увеличение времени работы устройства и уменьшение его веса. Стандартные Li─Pol модели работают в разной электронике, имеющей невысокие токи потребления. Это ноутбуки, смартфоны, электронные книги, планшеты.

Модели, предусматривающие быстрый разряд, ещё называются «силовыми». Они используются в тех устройствах, где необходимо высокое потребление тока. Наиболее известная сфера применения «силовых» аккумуляторов – это модели на радиоуправлении. Этот рынок является наиболее привлекательным для производителей полимерных АКБ. В сфере работы устройств с очень высокими разрядными токами (до 50 С) литий─полимерные аккумуляторы проигрывают щелочным. Возможно, в будущем литиевые модели преодолеют это ограничение. По цене они примерно соответствуют никель─металлогидридным.

Эксплуатация литий─полимерных аккумуляторных батарей

Безопасность

Аккумуляторы литиевого типа в целом, и полимерные в частности, требуют довольно деликатного обращения при эксплуатации. Что требуется запомнить при эксплуатации Li─Pol аккумуляторных батарей:

• Вреден излишний заряд аккумулятора (выше 4,2 вольта на один аккумуляторный элемент);
• Нельзя допускать короткого замыкания;
• Недопустим разряд токами, которые приводят к нагреву аккумулятора более 60 градусов Цельсия;
• Нельзя разгерметизировать АКБ;
• Нельзя разряжать аккумулятор ниже 3 вольт;
• Недопустим нагрев выше 60 градусов;
• Не допускается хранение в разряженном виде.

Если не соблюдать эти правила, то это может привести к пожару в худшем, и значительной потере ёмкости в лучшем случае.

В связи с этим можно дать несколько рекомендаций по безопасному использованию литий─полимерных аккумуляторов. Для начала следует приобрести качественное зарядное устройство и выставлять на нём корректные настройки. Кроме того, рекомендуется применять разъёмы, которые не допускают короткое замыкание. Обязательно контролируйте ток, который потребляется устройством.

Стоит также отметить, что нужно соблюдать температурный режим и не допускать перегрева полимерной батареи. Это слабое место всех аккумуляторов литиевого типа. Если аккумулятор нагреется до 70 градусов, то в нём начинается самопроизвольная реакция, которая энергию превращает в тепло. В результате воспламенение, а иногда и взрыв. Если есть возможность контролировать напряжение аккумулятора, то за ним особенно пристально нужно следить в конце разрядки.

Ещё одной причиной выхода литиевых АКБ из строя, является разгерметизация. Внутрь полимерной аккумуляторной банки ни в коем случае не должен проникнуть воздух. Изначально корпус герметичен и его не следует подвергать ударам, ронять. Если вы занимаетесь пайкой выводов, то делать это нужно крайне аккуратно.

Перед тем как отправить на хранение полимерную батарею, её рекомендуется зарядить наполовину. Хранить аккумулятор следует в прохладном месте без попадания на него солнечных лучей. Как и все аккумуляторные батареи, литий─полимерные имеют саморазряд, но он меньше, чем у свинцовых или щелочных.