Розвиток різних технологійз використанням автономних джерел живлення постійно підвищує вимоги до акумуляторів. Акумулятори на основі нікелю поступово замінюються літієвими. Технічні характеристики при цьому вдосконалюються та стають кращими. Li-polymer та Li-Ion – нові пристрої, здатні забезпечувати енергією апарати починаючи з мобільних телефонів і закінчуючи електромобілями та літальними апаратами.

Особливості літієвих акумуляторів

Досліди зі створення почалися ще в 1912 році, але тільки на початку 70-х років з'явилися перші батареї, які стали використовуватись у побутових приладах. Створення акумуляторів на основі літію було утруднено через те, що при роботі з циклами заряд-розряд зменшується теплова стабільність і виникає небезпека займання пристрою.

В результаті досліджень було розроблено пристрої на основі іонів літію.

Переваги та недоліки Li-Ion

Li-Ion безпечні і мають велику кількість переваг. Нині існує багато видів акумуляторів Li-Ion, вони мають різні характеристики, але можна говорити про загальні для всіх типів переваги та недоліки. Деякі з проблемних місць викликали необхідність розробки Li-Polymer батарей.

Li-Ion батареї завжди циліндричної форми. Основні переваги цього типу пристроїв:

• Висока енергетична ємність. Енергія віддається зарядженим акумулятором при розряді до найменшого допустимого значення.
• Низький саморозряд.
• Чи не вимагають обслуговування.
• Не потрібні цикли розряду відновлення емкости.

Головний недолік - необхідність захисних заходів, що обмежують напругу при зарядженні та максимальні значення струму при зарядженні та розрядженні. Це протидіє запаленню елемента. Додатковим мінусом цього типу батарей є старіння.

Навіть якщо батарея не використовується, згодом відбувається значне зменшення ємності.

Li-polymer батареї

Проблеми із забезпеченням електробезпеки Li-Ion призвели до створення батарей, у яких рідкий електроліт замінили на полімер. Завдяки твердому наповненню акумулятори можуть приймати будь-яку форму і мають малу товщину. Зазвичай вони випускаються у формі пластини або бруска, що дозволяє зручно розміщувати в батарейному відсіку. Лі-Пол - це новий тип батарей екологічно безпечний, що має велику щільність заряду. Використовується у мобільних телефонах, фотоапарати, цифрова техніка.

Недоліки акумуляторівтипу Li-polymer:

Для того, щоб згладити всі ці недоліки, виробники батарей додають невелику кількість гелевого електроліту до полімерного.

Правила експлуатації

Правила експлуатації поділяються на залежні від користувача і регульовані спеціально вбудованим в акумулятор контролером. Напруга акумулятора повинна перебувати в інтервалі 4,2-2,7 В. Це максимальні та мінімальні значення. Залежно від матеріалу електродів ці цифри можуть змінюватися. Контролери не дозволяють напрузі в акумуляторі під час заряду стати більше 4.2 У, а мінімальна напруга буде залежати від пристрою, в якому використовується батарея.

Для складної техніки може не вистачити мінімальної напруги і тому в телефонах і планшетах є додатковий контролер.

Найбільша довговічність джерела живлення забезпечується за рівня заряду 45%. При більших або менших значеннях термін служби приладу зменшується.

Правила, які повинні дотримуватись користувачі, здатні значно збільшити термін служби акумулятора. Основні рекомендації:

Який акумулятор краще використовувати: Li-pol або Li-ion, виробники обладнання вирішують виходячи з конкретних технологічних процесів та характеристик виробу. Різниця між цими джерелами не дуже велика. Але хоча властивості обох видів акумуляторів схожі, особливість Li-polymer полягає в тому, що в ньому використовується твердий електроліт, а гелевий додається тільки для збільшення іонної електропровідності.

Розвиток технологій дозволяє очікувати двох-триразового збільшення ємності батарей у найближчі роки, але разом з цим зменшуватимуться розміри, так що час роботи, ймовірно, не зміниться.

Постійний розвиток технологій сприятливо позначається на багатьох аспектах життя людей. Наявність потреби мати високопродуктивні джерела живлення з хорошим співвідношеннямрівня безпеки, вартості та експлуатаційних якостей призвели до створення літій полімерних елементів.

Здриження

Що таке літій полімерний акумулятор

Li polymer акумулятори є гальванічними джерелами живлення, в яких електроліт використовуються полімерні матеріали, насичені літієм.

Літій полімерна технологія стала новим етапом розвитку літій-іонних джерел живлення, який здешевив процес їх виробництва та дозволив створювати мініатюрні та гнучкі батареї.

При купівлі та використанні таких батарей необхідно розуміти нанесене на них маркування, яке має такі особливості:

• ємність АКБ позначається в mAh;
• число поряд з англійською літерою S у маркуванні позначає кількість окремих елементів (банок) у батареї, кожна з яких має номінальну напругу 3,7 вольта та максимальну – 4,2 вольта;
• число поряд з літерою C означає максимальну струмовіддачу в одиницях C. Максимальний струм розряду в міліамперах за годину дорівнює ємності АКБ, помноженої на цю величину;
• число поруч із літерою P означає кількість паралельно включених банок. З використанням однієї банки цю величину зазвичай вказують.

Таким чином, позначення 2600 mAh 3S 20C позначає Li-polymer батарею ємністю 2600 мАч з номінальною напругою 11,1 вольт (максимальною 12,6 вольт), з трьома послідовно з'єднаними банками і допустимим струмом розряду 52 ам2.

Як здійснюється виробництво літій полімерних акумуляторів

При виробництві Li-polymer джерел живлення використовується така технологія:

1. Здійснюється контрольоване нанесення суспензії з активними матеріалами катода та анода (два різні процеси) на поверхню алюмінієвої або мідної фольги, яка виступає в ролі струмоприймача.
2. Фольга з нанесеним матеріалом сушиться, нарізається на елементи необхідного розміру та форми.
3. Здійснюється підготовка електролітного полімерного сепаратора, який потім поміщають між шарами фольги з активними матеріалами катода і анода.
4. Виготовляється складання багатошарової батареї, її герметизація та просушка.
5. При використанні полімерного сепаратора, що вимагає наявності вкраплень гелевого електроліту, здійснюється його заповнення необхідною кількістю електролітної рідини.
6. Виготовляється установка контактних майданчиків, упаковка в захисну оболонку та обрізання її частин, що виступають.
7. Встановлюються зовнішні клеми акумуляторів.
8. Виконується контрольний цикл зарядки/розрядки та тестування.
9. Здійснюється відбраковування, сортування за ємністю та нанесення відповідних позначень.
10. При необхідності до клем батареї підпаюються дроти.
11. Здійснюється контроль якості, пакування елементів батареї в корпус, на який наносять необхідне маркування та пакування.

Принцип роботи та влаштування літій полімерного акумулятора

Принцип роботи Li pol батарей ґрунтується на використанні напівпровідникового ефекту в полімерних речовинах із включеннями іонів електроліту. Додавання електроліту до полімерів викликає збільшення їх іонної провідності при збереженні ізоляційних властивостей пластику по відношенню до електронів.

Електрорушійна сила щодо іонів літію виникає в результаті оборотної хімічної реакції між анодом (плюсом) з вуглецю (зазвичай графіт) та катодом (мінусом) з кобальту, оксиду ванадію або марганцю, поміщеними в полімерний електроліт з солями літію.

Існує три види полімерних електролітів:

1. Повністю сухі полімерні електроліти, які є пластиком з додаванням солей літію – дають малий струм при кімнатних температурах, недостатній для більшості. сучасних пристроїві коштують дорожче звичайних літій-іонних батарей.
2. Гелеподібні полімерні електроліти, які є сухими полімерними електролітами з вкрапленнями пластифікаторів-розчинників - мають прийнятні показники ємності, сили струму і вартості і найбільш часто застосовуються на практиці.
3. Неводні розчини солей літію, розподілені у мікропористій полімерній матриці за допомогою абсорбування.

Масово продаються Li Po акумулятори фактично є гібридами, що поєднують у собі не тільки чистий сухий полімерний електроліт, але й невелику кількість гелевого електроліту, що містять і літій-іонні джерела.

Додавання вкраплень гелевого електроліту в твердий полімерний електроліт збільшує його іонну електропровідність та електричні характеристики, зокрема, збільшується робочий струм до величини, необхідної більшості сучасних малогабаритних пристроїв.

Літій полімерний акумулятор: плюси та мінуси

Li-polymer джерела живлення мають такі переваги:

• висока енергетична щільність по відношенню до їх маси, більша, ніж у нікель-кадмієвих АКБ в 4-5 разів, і в 3-4 рази більша, ніж у нікель-металогідридних джерел живлення;
• малий струм саморозряду та висока струмовіддача;
• можливість створення гнучких та дуже тонких виробів;
• відсутність ефекту пам'яті;
• збереження напруги у допустимих межах при робочому розряді;
• великий діапазон допустимих температур під час експлуатації (від -20 до +40 градусів).

Літій-полімерним батареям притаманні деякі недоліки:

• пожежонебезпека у разі перезаряду/перегріву. Ці батареї вимагають використання захисної електроніки, яка відстежує зарядний струм та температуру, а також спеціальний алгоритм заряджання;
• ефект старіння, що призводить до зниження ємності при тривалому зберіганні та експлуатації (вважається, що АКБ втрачає до 20% ємності за кожний рік);
• вихід із ладу при глибокому розряді (нижче 3 вольт);
• страх перегріву вище 60 градусів і перезаряду вище 4,2 вольта (при напрузі вище 4.5 вольт можливий вибух);
• використання тонкої оболонки (зазвичай у вигляді фольги) у деяких таких батареях здешевлює вартість Li Pol елементів, але водночас зменшує їхню міцність.

Де застосовуються Li Pol АКБ

Цей вид джерел живлення завдяки невеликій вазі та високої потужностішироко застосовується для забезпечення живлення малогабаритних та великогабаритних пристроїв, серед яких:

• мобільні телефони та смартфони;
• радіокеровані моделі, квадракоптери, мікролітаки;
• електроінструмент;
• цифрова техніка, ультрабуки;
• електромобілі.

Правила експлуатації Li Pol акумуляторів

Для забезпечення необхідного рівня безпеки та продовження терміну експлуатації справних батарей необхідно дотримуватися наступних правил:

1. за наявності пошкоджень, здутості елементів живлення їх не можна використовувати, а необхідно піддати утилізації;
2. заряд батарей потрібно робити якісним зарядним пристроєм під наглядом, не допускаючи перегріву батареї. Якщо під час заряджання з'являється запах гару, здуття, займання, необхідно негайно її припинити та відключити АКБ від зарядного пристрою;
3. краще проводити зарядку на негорючій поверхні, наприклад, на керамічній плитці або фарфоровій тарілці, після повної зарядки джерела живлення краще дати йому охолонути і тільки потім починати його використовувати;
4. не можна допускати розряду нижче 3 вольт, перегріву або переохолодження, які зменшують ємність та загальну кількість циклів заряду-розряду;
5. найбільша тривалість експлуатації LiPo елементів досягається за підтримки їх рівня заряду лише на рівні 45%;
6. найкращий зарядний режим для LiPo АКБ здійснюється зарядними пристроями від компанії Sony протягом приблизно трьох годин. Він проходить у три етапи:
   • Спочатку протягом приблизно однієї години проводиться зарядка до 70% постійним струмомвеличиною 0,5-1 від величини струмовіддачі батареї до напруги 4,2 вольта;
   • Підзарядка тривалістю 1 годину до 90% напругою не більше 4,2 вольта з струмом, що поступово зменшується (до приблизно 0,2 від струмовіддачі);
   • На третьому етапі проводиться підзарядка протягом години до 100% невеликим струмом, що постійно зменшується.

Дешеві зарядні пристрої закінчують заряд першому етапі, по досягненню напруги 4,2 v, тому батарея не набирає своєї повної ємності.

• не допускати ударів по батареї, коротких замикань або розряду дуже високими струмами, перезаряджання вище 4,2 вольта на елемент складової батареї - всі ці причини можуть спричинити пожежу;
• якщо використовуються складові батареї з декількох Li Pol елементів, їх заряд краще проводити окремо, або використовувати спеціальний вирівнюючий заряд з балансуванням по кожному елементу. Принцип роботи такого пристрою полягає у зупинці заряду окремих елементів після досягнення ними напруги близько 4,17 вольт;
• перед введенням в експлуатацію нових батарей краще провести їх калібрування шляхом дворазового повного заряду та розряду.

У деяких Li Pol батареях при розряді нижче 2,5 вольт можлива металізація літію, що призводить до створення струмопровідних містків усередині батареї та короткого замикання. При зарядженні такої батареї відбувається неконтрольоване нагрівання, яке може призвести до вибуху такого джерела живлення. Тому батареї, в яких напруга впала нижче критичного рівня 3 вольт, краще вже не використовувати, а при падінні напруги до 2,5 вольт і нижче вони підлягають обов'язкової утилізації.

Як зберігати літій полімерний акумулятори

Зберігати заряджені LiPo батареї бажано в захисних чохлах за кімнатної температури при зарядці на рівні 3,6-3,8 вольт.

Перед постановкою на зберігання LiPo елементів рекомендується їх зарядити до 40-50%, відключити від пристроїв, які вони живлять і періодично хоча б раз на півроку перевіряти рівень заряду.

Утилізація літій полімерних акумуляторів

Утилізація LiPo джерел живлення має особливу актуальність у зв'язку з високою пожежонебезпечністю. Вони менш токсичні, ніж нікель-кадмієві батареї, але все ж таки містять шкідливі для екології речовини.

Щоб повністю та безпечно утилізувати Li-polymer елементи живлення необхідно дотримуватися таких вимог:

• утилізація розряджених батарей проводиться у пластикових контейнерах з водно-сольовим розчином (приблизно півсклянки солі на 1 літр води) протягом близько 2 тижнів (до припинення газоутворення) у нежитловому приміщенні. Після цього їх можна викидати зі звичайним сміттям;
• перед утилізацією батареї повинні бути розрядженими хоча б до одного вольта (це можна робити лампочкою як навантаження);
• якщо корпус батареї пошкоджений, її не потрібно розряджати, а необхідно провести утилізацію у водно-сольовому розчині;
• якщо розряд виробляється струмом більш допустимого, пов'язаного з величиною максимальної струмовіддачі C, то батарея повинна бути у відрі з піском або в іншому місці із захистом від займання;
• не допускається механічне руйнування необроблених у сольовому розчині батарей, через яке може статися загоряння. Особливо небезпечні щодо цього елементи живлення з кобальтовим катодом.

Прогрес йде вперед, і на зміну традиційним NiCd (нікель-кадмієвим) і NiMh (нікель-металогідридним) ми отримали можливість використовувати літієві акумулятори. При порівнянні ваги одного елемента вони мають більшу, порівняно з NiCd і NiMH ємність, крім того, напруга елемента у них втричі вища - 3.6V/елемент замість 1.2V. Так що для більшості моделей достатньо батареї із двох або трьох елементів.

Серед літієвих акумуляторів розрізняють два основні типи - літій-іонні (Li-Ion) та літій-полімерні (LiPo, Li-Po або Li-Pol). Різниця між ними – у типі використовуваного електроліту. У випадку LiIon – це гелевий електроліт, у випадку LiPo – спеціальний полімер, насичений розчином, що містить літій. Але для використання в силових установках моделей найбільшого поширення набули літій-полімерні акумулятори, тож надалі розмова йтиме саме про них. Втім, жорсткий поділ тут дуже умовно, оскільки обидва типи відрізняються в основному електролітом, і все, що буде сказано про літій-полімерні акумулятори, практично повною мірою відноситься і до літій-іонних (заряд, розряд, особливості експлуатації, техніка безпеки ). З практичної точки зору нас хвилює тільки той момент, що літій-полімерні акумулятори зараз забезпечують вищі розрядні струми. Тому на модельному ринку як джерело енергії для силових установок в основному пропонують саме їх.

Основні характеристики

Літій-полімерні акумулятори при однаковій вазі перевищують енергоємність NiCd в 4-5 разів, NiMH в 3-4 рази. Кількість робочих циклів 500-600, при розрядних струмах в 2С до втрати ємності в 20% (для порівняння - у NiCd-1000 циклів, у NiMH - 500). Взагалі кажучи, будь-яких даних щодо кількості робочих циклів поки ще дуже мало і до наведених у даному випадку їх характеристик необхідно ставитися критично. Крім того, технологія їх виготовлення удосконалюється, і можливо, що Наразіцифри цього типу акумулятора вже інші. Так само, як і всі акумулятори, літієві схильні до старіння. Через 2 роки батарея втрачає близько 20% ємності.

З усього різноманіття силових літій-полімерних акумуляторів, що є у продажу, можна виділити дві основні групи - швидкорозрядні (Hi discharge) та звичайні. Відрізняються вони між собою максимальним розрядним струмом - його вказують або в амперах, або в одиницях ємності акумулятора, що позначається буком "С". Наприклад, якщо струм розряду 3С, а ємність акумулятора – 1 Ач, то струм дорівнюватиме 3 А.

Максимальний струм розряду звичайних акумуляторів зазвичай не перевищує 3С, деякі виробники вказують 5С. Швидкорозрядні акумулятори допускають струм розряду до 8-10С. Такі акумулятори трохи важчі за своїх слаботочних побратимів (приблизно на 20%), і в назві у них після цифр ємності присутні літери HD або HC, наприклад KKM1500 – звичайний акумулятор ємністю 1500 мАг, а KKM1500HD – швидкорозрядний. Хочеться одразу зробити невелике зауваження для любителів експериментів. У побутової технікишвидкорозрядні акумулятори не використовуються. Тому якщо вас відвідає ідея добути дешево акумулятор із стільникового телефону або відеокамери, то на хороший результат тут розраховувати складно. Швидше за все, така батарея дуже швидко помре через порушення передбачених режимів експлуатації.

Області застосування та вартість

Застосування літій-полімерних акумуляторів дозволяє вирішити дві важливі завдання – збільшити час роботи двигуна та знизити вагу батареї.

При заміні батареї 8.4 V NiMH 650 мАч двома звичайними, не швидкорозрядними літієвими акумуляторами ємністю 2 А*год, отримуємо батарею в 3 рази більшу ємність, легше на 11 г і з дещо меншою напругою (7.2 вольта)! А якщо використовувати швидкорозрядні акумулятори, тоді і великі літаки можуть літати, не поступаючись в енергоозброєності ДВСу. На підтвердження цього, 7-е місце у першості світу з пілотажних моделей F3A посів американець на електролеті. Причому це була не маленька дзижча, а нормальний двометровий літак, як у решти учасників, які мали моделі з двигунами внутрішнього згоряння!

Дуже добре зарекомендували себе літій-полімерні акумулятори на невеликих вертольотах, таких як Piccolo або Hummingbird - наприклад, навіть при використанні стандартного колекторного мотора час польоту на двох банках ємністю 1 Ач становить більше 25 хвилин! А при заміні мотора на безколекторний – понад 45 хвилин!

І, звичайно, літієві акумулятори просто незамінні, коли йдеться про кімнатні літаки вагою 4-20 г. У цій галузі NiCd з ними зрівнятися не може - просто немає таких батарей (наприклад, вага 45 мАч банки-1 г, 150 мАч - 3.2 г), які за такої малої ваги давали б необхідну потужність - нехай навіть протягом 1 хвилини!

Єдина область, де поки що літій-полімерні акумулятори поступаються Ni-Cd - це область супервисоких (40-50С) розрядних струмів. Але прогрес йде вперед, і, можливо, через пару років ми почуємо про нові успіхи в цій галузі – адже 2 роки тому про швидкорозрядні літієві акумулятори теж ніхто не чув.

Ось, наприклад, основні характеристики LiPo акумуляторів Kokam:

За ціною, у перерахунку на ємність, літій-полімерні акумулятори коштують приблизно стільки ж, скільки NiMH.

Виробники

В даний час існує кілька фірм-виробників літій-полімерних акумуляторів. Лідером за кількістю акумуляторів, що випускаються, і одним з перших за якістю є Kokam. Також відомі фірми Thunder Power, I-Rate, E-Tec, та Tanic (імовірно, це друга назва Thunder Power або ж це один із продавців Thunder Power під своєю назвою). Переглянути типи Kokam-а можна на сайті www.fmadirect.com, батареї різних виробниківпропонуються на сайті www.b-p-p.com та www.lightflightrc.com.

Є ще Platinum Polymer, пропонований на сайті www.batteriesamerica.com, імовірно - це інша назва I-Rate.

Асортимент ємності акумуляторів дуже широкий - від 50 до 3000мАч. Для отримання великих ємностейвикористовують паралельне з'єднанняакумуляторів.

За формою всі батареї пласкі. Як правило, їх товщина менша за саму коротку сторону більш ніж у 3 рази, і висновки робляться з короткої сторони у вигляді плоских пластин.

I-Rate, наскільки мені відомо, швидкорозрядних акумуляторів поки не робить, і їх акумулятори мають одну особливість: один з електродів у них алюмінієвий, і паяти його проблематично. Це робить їх незручними при самостійному збиранні батареї.

Акумулятори E-Tec - щось середнє, вони не заявлені як швидкорозрядні, але їхній струм розряду вище, ніж у звичайних - 5-7С.

Лідерами за популярністю є Kokam та Thunder Power, причому Kokam в основному використовують у легких та середніх моделях, а Thunder Power на середніх, великих та гігантських (понад 10 кг!). Очевидно, це обумовлено ціною та наявністю в асортименті потужних збірок – до 30 вольт та 8Ач ємністю. Далі йдуть Tanic та E-tec, а ось про I-rate згадок мало. Platinum Polymer популярний чомусь лише в Америці, причому використовують його майже виключно на повільних слоуфлаєрах.

Заряджання літій-полімерних акумуляторів

Заряд акумуляторів здійснюється за досить простим алгоритмом - заряд від джерела постійної напруги 4.20 вольт/елемент з обмеженням струму 1С. Заряд вважається завершеним, коли струм впаде до 0.1-0.2С. Після переходу в режим стабілізації напруги при струмі 1С акумулятор набирає приблизно 70-80% ємності. Для повної зарядки потрібен час близько 2-х годин. До зарядного пристрою пред'являються досить жорсткі вимоги щодо точності підтримки напруги в кінці заряду - не гірше за 0.01 в/банку.

З представлених на ринку зарядних пристроїв можна виділити основні типи - прості, не «комп'ютерні» зарядники, в ціновій категорії 10-40 $, призначені тільки для літієвих акумуляторів, і універсальні - в ціновій категорії 120-400 $, призначені для різних типівакумуляторів, у тому числі і для LiPo та Li-Ion.

Перші, зазвичай, мають лише світлодіодну індикацію заряду, кількість банок і струм у яких виставляються перемичками. Переваги таких зарядних пристроїв - низька ціна. Головний недолік - деякі з них не вміють правильно показувати закінчення заряду. Вони показують момент переходу від режиму стабілізації струму до режиму стабілізації напруги, що становить приблизно 70-80% ємності. Для повного закінченнязаряду треба ще зачекати хвилин 30-40.

У другої групи зарядників можливості набагато ширші, як правило, всі вони показують напругу, струм і ємність (мАч), яку акумулятор «прийняв» у процесі заряду, що дозволяє точніше визначати, наскільки заряджений акумулятор.

При використанні зарядного пристрою найголовніше - правильно виставити на заряднику потрібну кількість банок у батареї та струм заряду. Струм заряду, як правило, дорівнює 1С.

Експлуатація та запобіжні заходи

Можна з упевненістю сказати, що літій-полімерні акумулятори "найніжніші" акумулятори з існуючих, тобто вимагають обов'язкового дотримання кількох нескладних, але обов'язкових правил, через недотримання яких трапляється або пожежа, або акумулятор "вмирає".

Перерахуємо їх у порядку зменшення небезпеки:

1. Заряд до напруги, що перевищує 4.20 вольт/банку.
2. Коротке замикання акумулятора.
3. Розряд струмами, що перевищують здатність навантаження або нагрівають акумулятор вище 60°С.
4. Розряд нижче напруги 3.00 вольта/банку.
5. Нагрівання акумулятора вище 60°С.
6. Розгерметизація акумулятора.
7. Зберігання у розрядженому стані.

Невиконання перших трьох пунктів призводить до пожежі, решту - до повної або часткової втрати ємності.

З усього сказаного можна зробити такі висновки:

Щоб не було пожежі, треба мати нормальний зарядник і правильно виставляти на ньому кількість банок, що заряджаються. Необхідно також використовувати роз'єми, що унеможливлюють короткого замикання батареї (через це у мого друга обгорів стіл, на якому заряджалися акумулятори, і фіранка) і контролювати струм, що споживається мотором на «повному газу». Крім того, не рекомендується на моделі закривати акумулятори з усіх боків від надходження потоку повітря, а якщо це неможливо, слід передбачити спеціальні каналидля охолодження.

У випадках, коли струм, споживаний двигуном, становить більше 2С, а акумулятор на моделі закритий з усіх боків, після 5-6 хвилин роботи двигуна слід його зупинити, а потім витягнути і доторкнутися до акумулятора - чи не занадто гарячий. Справа в тому, що після нагрівання вище за певну температуру (близько 70 градусів) в акумуляторі починає йти «ланцюгова реакція», що перетворює запасену енергію в тепло, акумулятор буквально розтікається, підпалюючи все, що може горіти.

Якщо замкнути майже розряджений акумулятор, то пожежі не буде, він тихо і мирно помре через перерозряд ... Звідси випливає друге важливе правило: стежте за напругою в кінці розряду акумулятора і обов'язково відключайте акумулятор після роботи!

Деякі регулятори швидкості (особливо цим грішать Jeti) не припиняють споживання струму після вимкнення штатного вимикача. Що змусило чехів ухвалити таке дивне рішення – не знаю. Але факт залишається фактом, практично всі моделі контролерів для безколекторних моторів Jetti (включаючи і нову серію "Advanced"), в яких є BEC, тобто стабілізатор живлення приймача та машинок від силового живлення, не забезпечують повне знеструмлення ланцюга штатним вимикачем. Відключаються тільки приймач і сервомашини, а контролер продовжує споживати струм близько 20 мА. Це особливо небезпечно, тому що не видно, що живлення включене, машинки стоять, мотор мовчить... І якщо забути про підключений акумулятор на добу-іншу, то виявиться, що з ним можна попрощатися - не любить літій глибокого розряду.

Звичайно, слід пам'ятати про те, що контролер двигуна повинен уміти працювати з літієвими акумуляторами, тобто мати регульовану напругу відключення двигуна. І треба не забувати програмувати контролер на потрібну кількість банок. Втім, зараз з'явилося нове покоління контролерів, що автоматично визначають кількість підключених банок.

Розгерметизація – ще одна причина виходу літієвих акумуляторів з ладу, оскільки всередину елемента не попадає повітря. Це може статися при пошкодженні зовнішнього захисного пакета (акумулятор запаяний в пакет на зразок термозбіжної трубки), внаслідок удару або пошкодження гострим предметом, або при сильному перегріві виведення акумулятора при пайці. Висновок - не кидати з великої висоти і паяти акуратно.

Зберігання акумуляторів, судячи з рекомендацій виробників, слід проводити в зарядженому на 50-70% стані, краще в прохолодному місці, при температурах не вище 20°С. Зберігання в розрядженому стані негативно позначається на терміні служби - як і у всіх акумуляторів, літій-полімерний має невеликий саморозряд.

Складання батареї

Для отримання батарей із високою струмовіддачею або великою ємністю використовують паралельне з'єднання акумуляторів. Якщо ви купуєте готову батарею, то за маркуванням можна дізнатися, скільки в ній банок і як вони з'єднані. Літера P (parallel) після числа позначає кількість з'єднаних паралельно банок, а S (serial) – послідовно. Наприклад, "Kokam 1500 3S2P" позначає батарею, з'єднану послідовно з 3-х пар акумуляторів, і кожна пара утворена 2-ма паралельно з'єднаними акумуляторами ємністю по 1500мач., тобто ємність батареї буде 3000мАч (при - 3,7 * 3 = 11,1 В..

Якщо ви купуєте акумулятори окремо, перед з'єднанням їх у батарею потрібно зрівняти їх потенціали. Особливо це стосується варіанта паралельного включення, тому що при цьому одна банка почне заряджати іншу, і зарядний струм може перевищити значення 1С. Бажано всі куплені банки перед з'єднанням розрядити до 3 вольт струмом 0.1С - 0.2С. Напругу треба контролювати цифровим вольтметром з точністю не нижче 0.5%. Це забезпечить надійне функціонування батареї у майбутньому.

Вирівнювання потенціалів (балансування) також бажано проводити навіть вже на зібраних фірмових батареях перед їх першим зарядом, так як багато фірм, що збирають елементи батареї, не балансують їх перед складання.

Через падіння ємності в результаті експлуатації в жодному разі не можна додавати нові банки послідовно старим – батарея буде при цьому розбалансована.

Звичайно, також не можна з'єднувати в батарею акумулятори різних, навіть близьких ємностей - наприклад, 1800 і 2000 мАг, а також використовувати в одній батареї акумулятори різних виробників, оскільки різний внутрішній опір призведе до розбалансування батареї. При паянні слід дотримуватися акуратності, не можна допускати перегріву висновків, - це може порушити герметизацію і назавжди вбити акумулятор, що ще не встиг політати. Деякі типи акумуляторів Kokam поставляються з вже припаяними шматочками друкованої платидо висновків, для зручності розпаювання проводів. При цьому додається зайва вага – близько 1г на елемент, зате гріти місця для припаювання проводів можна набагато довше – склотекстоліт погано проводить тепло. Провід з роз'ємами слід закріпити на корпусі батареї, хоча б скотчем, щоб випадково не відірвати виведення під корінь.

Нюанси застосування

Отже, підкреслимо ще раз важливі моменти, пов'язані з використанням літій-полімерних акумуляторів

• Використовуйте нормальний зарядник.
• Використовуйте роз'єми, які унеможливлюють замикання батареї.
• Не перевищуйте допустимі струми розряду.
• Слідкуйте за температурою акумулятора за відсутності охолодження.
• Не розряджайте акумулятор нижче напруги 3 V/банку (не забувайте вимикати акумулятор після польоту!).
• Не піддавайте батарею ударам.

Наведемо ще кілька корисних прикладів, які з раніше сказаного, але неочевидних здавалося б.

При використанні колекторних моторів потрібно не допускати ситуацій, коли двигун застопорений (наприклад, модель лежить на землі), а на передавачі дано повний газ. Струм при цьому занадто великий, і ми ризикуємо підірвати батарею (якщо раніше не згорить двигун або регулятор). Ця проблема неодноразово обговорювалася у форумах RC Groups. Більшість регуляторів для колекторних моторів вимикають мотор при втраті сигналу від передавача, і, якщо ваш регулятор вміє це робити, я б радив вимикати передавач, якщо модель впала, наприклад, в траву далеко від вас, - менше ризик при пошуку моделі зачепити ручку газу, що бовтається. на ремені передавача і не помітити цього.

Протягом довгої експлуатації батареї її елементи через початковий невеликий розкид ємностей стають незбалансованими - якісь банки «старіють» раніше за інших і втрачають свою ємність швидше. При більшій кількості банок у батареї процес йде швидше.

Звідси випливає таке правило – іноді необхідно контролювати ємність кожного елемента батареї окремо. Для цього можна виміряти його напругу наприкінці заряду. Як часто? Точно це поки що встановити складно - занадто мало досвіду експлуатації накопичено. Як правило, рекомендують приблизно через 40-50 циклів після початку експлуатації раз на 10-20 циклів проводити перевірку напруги елементів батареї при заряді для виявлення «поганих банок».

Не рекомендується «висаджувати в нуль» батарею, ганяючи двигун до тих пір, поки він не перестане взагалі обертатися. Новій батареїтаке звернення не зашкодить, а для трохи розбалансованої - це зайвий ризик розрядити саму «погану банку» нижче за 3 вольти, через що вона ще більше втратить ємність.

Коли ємності різняться більш ніж на 20% - таку батарею без спеціальних заходів заряджати всю не можна!

Для автоматичного балансування елементів батареї під час заряду використовують звані балансери (balancer). Це невелика плата, що підключається до кожної банку, що містить навантажувальні резистори, схему управління та світлодіод, що показує, що напруга на даній банці досягла рівня 4.17 - 4.19 вольт. При перевищенні напруги на окремому елементіПорог в 4.17 вольт балансер замикає частину струму «на себе», не дозволяючи напрузі перевищити критичний поріг. За одночасною запалювання світлодіодів видно, які банки мають меншу ємність - на їхньому балансері світлодіод запалиться першим. До балансерів пред'являється одна важлива додаткова вимога - струм, споживаний ними від батареї в режимі очікування повинен бути малий, зазвичай він становить 5-10 мкА.

Слід додати, що від перерозряду деяких банок у розбалансованій батареї балансер не рятує, він служить тільки для захисту від пошкодження елементів під час заряду та засобом індикації «поганих» елементів у батареї. Вищесказане відноситься до батарей, складених з 3-х і більше елементів, для 2-х банкових батарей балансери, як правило, не застосовують.

Існує думка, що літій-полімерні акумулятори не можна експлуатувати за негативних температур. Справді, в технічні характеристикина батареї вказаний робочий діапазон 0-50 ° С (при 0 ° С зберігається 80% ємності). Проте літати на них при температурах близько –10...-15 °С можна. Справа в тому, що не треба перед польотом морозити батарею – покладіть її в кишеню, де тепло. А в польоті внутрішнє виділення тепла в акумуляторі виявляється зараз корисною властивістю, не дозволяючи батареї замерзнути. Звичайно, віддача акумулятора буде дещо нижчою, ніж за нормальної температури.

Висновок

Враховуючи, якими темпами рухається технічний прогрес у галузі електрохімії, можна припустити, що майбутнє за літій-полімерними акумуляторами – якщо їх не наздоженуть паливні елементи. У міру підвищення попиту на акумулятори та збільшення обсягу їх випуску ціна неминуче падатиме, і тоді літій стане, нарешті, також поширеним, як NiMH. На Заході цей час уже півроку як настав принаймні в Америці. Популярність електролетів із літій-полімерними акумуляторами все зростає. Хочеться сподіватися, що безколекторні мотори та контролери до них теж подешевшають, але в цій галузі прогрес зниження цін рухається менш стрімко. Адже всього два роки тому ставилося у форумі питання - «А хтось реально літає на brushless?». А про літієві акумулятори тоді згадки не було взагалі.

Загалом, поживемо – побачимо.

Найкращі сучасні малогабаритні гальванічні джерела живлення - це елементи, що використовують як активний компонент з'єднання літію. Цей матеріал має найменшу масу з усіх доступних для практичного використанняметалів, завдяки чому він має найбільший електрохімічний потенціал. Це дозволяє отримувати найбільш високу щільність струму на одиницю ваги батарей, що виготовляються.

Здриження

Особливості технології

Елементи живлення, виготовлені за технологією, що використовує літієві електроди та включення цього металу до складу електроліту, мають чудові технічні характеристики, високу ємність, великий робочий струм, довговічність та компактність.

Одними з найпоширеніших видів таких АКБ є літій-іонні (Li Ion) та літій-полімерні (Li Polymer) вироби. Вони мають багато подібних конструктивних особливостей, а й деякі відмінності, що впливають їх експлуатаційні властивості.

Розглянемо докладніше, які особливості та відмінності мають акумулятори, виготовлені за цими технологіями.

Що спільного у Li Ion та Li Pol акумуляторів

Обидва види джерел живлення мають такі однакові особливості:

• ідентична конструкція електродів, що мають у складі анода вуглецевий матеріал (зазвичай графіт), а в катоді – кобальт, оксид ванадію або марганцю;
• подібна хімічна реакція, в результаті якої виникає електрорушійна сила в літієвих елементах, обумовлена ​​взаємодією електродів, розділених електролітом із включенням солей літію;
• однакова номінальна напруга, що дорівнює 3,7 вольтам;
• однаковий термін зберігання, що становить 2-3 роки;
• подібність конструкції дозволяє використовувати одні й самі зарядні пристрої обох видів батарей;
• вони не мають ефекту пам'яті, але чутливі до сильного розряду та небезпечні при перезаряді (більше 4,2 вольт), при якому може статися спалах або вибух;
• обидва види батарей заборонено використовувати за наявності пошкоджень та після сильного розряду (нижче 2,7 вольт).

Відмінності між Li Ion та Li Pol батареями

Li pol елементи живлення відрізняються від іонних літій в основному за фізичним станом електроліту.

У першому випадку використовується твердий полімерний електроліт або пластини з включеннями гелеподібного електроліту, а в другому електроди розділені рідкою активною речовиною.

Використання повністю сухого електроліту знижує його активність, тому для поліпшення експлуатаційних характеристик батарей додають вкраплення гелевого напіврідкого електроліту.

Використання полімерного електролітного прошарку замість пористого сепаратора, наповненого електролітом, ускладнює технологічний процесі подорожчає його, але дозволяє отримати зручніші та безпечніші при експлуатації джерела живлення.

У той же час використання сухого полімеру зменшує активність електроліту і забезпечує прийнятні електричні параметри тільки при високій температурі. У зв'язку з цим при виробництві більшості сучасних літій-полімерних джерел використовується гібридна технологія, при якій сухий полімерний матеріал додаються вкраплення гелеподібного електроліту. Це збільшує його іонну електропровідність за збереження високих експлуатаційних характеристик.

Чим літій іонний АКБ краще літій полімерного

Літій-іонні джерела живлення мають наступні переваги в порівнянні з літій-полімерними:

• використання більш активного рідкого електроліту дозволяє отримати більш високу енергетичну щільність та покращені характеристики струмовіддачі при нормальній та зниженій температурі;
• виробництво таких АКБ коштує дешевше, ніж літій полімерних елементів;
• вони витримують більша кількістьробочих циклів розряду-заряду, мають збільшений термін служби.

У той же час використання активної електролітної рідини всередині корпусу таких батарей обумовлює наявність ряду недоліків:

• необхідно використовувати більш герметичні та міцні корпуси для запобігання витоку електроліту;
• збільшується загальна вага батарей;
• зменшується універсальність використання;
• Li ion батареї вибухонебезпечніші, сильніше бояться перезаряду, вимагають використання спеціальних вбудованих пристроїв захисту;
• їм необхідний більший за тривалістю часу заряд із обов'язковим контролем максимальної напруги та температури;
• вони мають меншу ємність за однакових розмірів;
• висока активність рідкого електроліту обумовлює швидше старіння літій-іонних моделей батарей, які втрачають близько 0,1% від загальної ємності на місяць.

Чим літій полімерний АКБ краще літій іонного

Li po джерела живлення мають такі переваги:

• використання сухого або напівсухого електроліту дозволяє виготовляти компактні батареї будь-якої форми та розміру, а також робити їх гнучкими;
• вони мають меншу вагу та розміри порівняно з ідентичними за робочими характеристиками літій-іонними АКБ;
• більш висока (майже вдвічі) ємність при однаковому загальному обсязі батареї;
• краща безпека та менший ризик перезаряду; відсутність ризику витоку електроліту;
• менший час, необхідне зарядки;
• менша зношування.

Літій-полімерні джерела живлення мають і недоліки:

• зменшену енергетичну щільність, тому у них менше допустимий струм розряду і менше максимальна потужність, що віддається;
• вони дорожчі у виробництві;
• вони витримують менше циклів заряд-розряд.

Що краще вибрати li ion або li polymer

Між обома видами батарей існує не така велика різниця, яка дозволила б зробити однозначний вибір на користь того чи іншого елемента живлення. Вибір необхідного виду АКБ необхідно здійснювати залежно від кожного конкретного випадку.

Особливості літій - полімерних акумуляторів та правила їх експлуатації

Літій-полімерний акумулятор являє собою модифікований варіант літій-іонних батарей. Головна відмінність полягає у застосуванні полімерного матеріалу, що виконує роль електроліту. У цей полімер додаються струмопровідні включення зі з'єднаннями літію. Подібні акумулятори в останні роки активно розвиваються та використовуються в мобільних телефонах, планшетах, ноутбуках, радіокерованих моделях та іншій техніці. Незважаючи на те, що літієві акумулятори нездатні забезпечувати високі струми розрядки, деякі спеціальні різновиди полімерних АКБ можуть віддавати струм, що значно перевищує їх ємність. Оскільки літій-полімерні акумулятори швидко поширюються на ринку, потрібно мати уявлення про їх пристрій, правила експлуатації та техніку безпеки при поводженні з ними. Про це йтиметься у нашому сьогоднішньому матеріалі.

Перевагою заміни рідкого органічного електроліту на полімерний є підвищення безпеки експлуатації АКБ. Це дуже важливо для акумуляторів літієвого типу. Саме безпечне використання у комерційних цілях із самого початку стримувало їх розвиток. Крім того, полімерний електроліт дає значно більше свободи під час вибору форми акумуляторної батареї.

В основу пристрою Li-Pol акумуляторних батарей було покладено процес переходу ряду полімерів у напівпровідниковий стан при впровадженні іонів електроліту в них. У цьому провідність зростає у кілька разів. Дослідники в основному були зайняті підбором полімерного електроліту для АКБ з металевим літієм та Li-Ion моделей. Теоретично допускається збільшення енергетичної щільності батарей з полімером у кілька разів у порівнянні з літій-іонними. На сьогоднішній день можна виділити кілька груп Li-Pol акумуляторів, що відрізняються за складом електроліту:

• З гелеподібним гомогенним електролітом. Він у результаті впровадження у структуру полімеру солей літію;
• З сухим полімерним електролітом. Цей тип виготовляється з урахуванням поліетиленоксиду з різними солями літію;
• Електроліт у вигляді мікропористої полімерної матриці, в якій сорбовані неводні розчини солей літієвих.

Якщо порівнювати полімерний і рідкий електроліт, варто відзначити меншу іонну провідність першого. Вона суттєво знижується при негативних температурах. Так, одна проблема була в тому, щоб підібрати склад для електроліту з високою провідністю. А друге важливе завдання було розширення діапазону робочих температур полімерних АКБ. Моделі літій-полімерних акумуляторів, що використовуються в сучасній техніці, за своїми характеристиками не поступаються Li-Ion.

Оскільки в полімерній батареї відсутній рідкий електроліт, їхня безпека при експлуатації значно вища. Крім того, вони можуть виконуватися практично будь-якої форми та конфігурації.

Контейнери деяких моделей, в яких знаходиться сама банка, виготовлені з металізованих полімерів. Через кристалізацію полімерного електроліту параметри цих АКБ значно знижуються при негативних температурах.

Є розробки полімерних АКБ із металевим анодом. Вченим вдалося досягти високої щільностіструму та значного розширення робочого інтервалу температур. Ці різновиди акумуляторів також можуть використовуватися в різних портативної електронікита побутової техніки. Випуском подібних акумуляторів вже займаються багато провідних компаній.

Причому у різних виробників можуть відрізнятися матеріали електродів, склад електроліту та сама технологія збирання. Тому сильно відрізняються і параметри цих АКБ. Однак всі виробники сходяться в тому, що стабільність роботи Li-Pol сильний вплив однорідність полімерного електроліту. А вона залежить від температури полімеризації та співвідношення компонентів.

Зараз вже є безліч проведених експериментів, які доводять більше високий рівеньбезпеки полімерних АКБ у порівнянні з іонними. Це стосується перезаряду, прискореного розряду, вібрації, стиснення, короткого замикання, проколювання літій-полімерних батарей. Так, що цей вид акумуляторів має найкращі перспективи розвитку. Нижче наведено результати тестів на безпечну експлуатацію Li-Pol акумуляторів.

Є приклади літій - полімерних акумуляторів, які мають товщину 1 міліметр. Такі моделі дозволяють конструкторам мобільних пристроївстворювати дуже компактну апаратуру. Це відкриває нові можливості щодо зменшення розмірів електронних пристроїв. Для зменшення внутрішнього опору акумуляторів Li-Pol додається гелевий електроліт. У батареях, які використовуються в мобільних телефонах, застосовується такий різновид електроліту. Вони поєднують у собі риси полімерних та іонних батарей.

У чому ж різниця між Li-Ion та Li-Pol акумуляторними батареями. Вони відносяться і близькі за своїми електричними характеристиками. Але полімерні моделі використовують твердий електроліт. Гелева складова вноситься в електроліт для зниження внутрішнього опору батареї та стимуляції іонообмінних процесів.

За своєю енергоємністю літій - полімерні акумуляторні батареїмають питому енергоємність в 4-5 разів більше і в 3-4 рази вище. Обидва ці типи ставляться до . Порівняння здійснюється саме з ними, оскільки в основному літієві батареї замінили лужні в мобільній електроніці.

Li-Pol батареї мають ресурс у 500-600 циклів заряд-розряд (при струмі розряду 2С). За цим показником вони програють кадмієвим (1 тисяча циклів) і приблизно відповідають металогідридним. Технологія виробництва та конструкція постійно удосконалюється і в майбутньому, можливо, характеристики покращуються. Варто також зазначити, що за 1-2 роки полімерна АКБ втрачає приблизно 20% від своєї ємності. За цим параметром вони відповідають іонним акумуляторам.

Слід зазначити, що серед полімерних батарей для комерційного використання є дві великі категорії. Це звичайні та швидкорозрядні. Останні часто називають Hi discharge. Відмінність між цими групами полягає у максимально допустимому розрядному струмі. Він може вказуватися в абсолютній величині або вкратно номінальної ємності.

Наприклад, 3С. Для звичайних акумуляторних батарей максимальний струм розряду трохи більше 3-5С. Швидкорозрядні моделі мають максимальний струм розряду 8-10С. Маса швидкорозрядних АКБ приблизно на 20 відсотків вища, ніж у стандартних моделей. У маркуванні таких батарей є символи HC або HD.

KKM2500 позначає звичайну модель ємністю 2500 мАг, а маркування KKM2000HD розшифровується як швидкорозрядний акумулятор ємністю 2000 мАг. Швидкорозрядні моделі не використовуються в побутовій техніці та споживчій електроніці. АКБ з стільникових телефоніві планшетів не витримують високих розрядних струмів, тому оснащені захистом від таких режимів експлуатації.

Області застосування літій-полімерних акумуляторів випливають із завдань, які ставилися під час їх розробки. Це збільшення часу роботи пристрою та зменшення його ваги. Стандартні Li-Pol моделі працюють у різній електроніці, що має невисокі струми споживання. Це ноутбуки, телефони, електронні книжки, планшети.

Моделі, що передбачають швидкий розряд, ще називаються "силовими". Вони використовуються в тих пристроях, де потрібне високе споживання струму. Найвідоміша сфера застосування «силових» акумуляторів – це моделі на радіокеруванні. Цей ринок є найпривабливішим для виробників полімерних АКБ. У сфері роботи пристроїв з дуже високими розрядними струмами (до 50 С) літій - полімерні акумулятори програють лужним. Можливо, у майбутньому літієві моделі подолають це обмеження. За ціною вони приблизно відповідають нікель-металогідридним.

Експлуатація літій - полімерних акумуляторних батарей

Безпека

Акумулятори літієвого типу в цілому, і полімерні, зокрема, вимагають досить делікатного обігу при експлуатації. Що потрібно запам'ятати при експлуатації Li-Pol акумуляторних батарей:

• Шкідливий зайвий заряд акумулятора (понад 4,2 вольта на один акумуляторний елемент);
• Не можна допускати короткого замикання;
• Неприпустимий розряд струмами, що призводять до нагрівання акумулятора понад 60 градусів Цельсія;
• Не можна розгерметизувати АКБ;
• Не можна розряджати акумулятор нижче 3 вольт;
• Неприпустиме нагрівання вище 60 градусів;
• Не допускається зберігання у розрядженому вигляді.

Якщо не дотримуватися цих правил, це може призвести до пожежі в гіршому, і значної втрати ємності в кращому випадку.

У зв'язку з цим можна дати кілька рекомендацій щодо безпечного використання літій-полімерних акумуляторів. Для початку слід придбати якісне зарядний пристрійта виставляти на ньому коректні налаштування. Крім того, рекомендується застосовувати роз'єми, які не допускають коротке замикання. Обов'язково контролюйте струм, який споживається пристроєм.

Варто також відзначити, що потрібно дотримуватися температурний режимта не допускати перегріву полімерної батареї. Це слабке місце для всіх акумуляторів літієвого типу. Якщо акумулятор нагріється до 70 градусів, то в ньому починається мимовільна реакція, яка енергію перетворює на тепло. В результаті займання, а іноді й вибух. Якщо є можливість контролювати напругу акумулятора, то особливо пильно слід стежити в кінці розрядки.

Ще однією причиною виходу літієвих АКБ з ладу є розгерметизація. Всередину полімерної акумуляторної банки в жодному разі не повинно проникнути повітря. Спочатку корпус герметичний і його не слід піддавати ударам, упускати. Якщо ви займаєтеся пайкою висновків, то це потрібно вкрай акуратно.

Перед тим як відправити на зберігання полімерну батарею, рекомендується зарядити наполовину. Зберігати акумулятор слід у прохолодному місці без сонячних променів. Як і всі акумуляторні батареї, літій-полімерні мають саморозряд, але він менше, ніж у свинцевих або лужних.