Плюсы и минусы литий-полимерных аккумуляторов

Так чем его планируют заменить?

К числу наиболее перспективных в ближайшие десятилетия технологий все еще относят аккумуляторы, содержащие ионные жидкости, которые, по существу, являются обычными солями, растворенными при низких и умеренных температурах. Их популярность обусловлена наименее вредоносной для природы утилизацией.

Также, в отличие от других электролитов, они негорючие и обладают термической стабильностью при гораздо более высоких температурах. Поэтому в последующие 10-15 лет нового ждать вряд ли придется.

Более отдаленные исследования альтернатив АКБ рассматривают конструкцию «Li-air», которая использует атмосферный кислород в качестве окислителя, что сможет сделать ее намного легче современных литий-ионных батарей. Кроме того, удельная мощность такого варианта АКБ сравнима с энергией, выделяемой бензином в ДВС, что делает их идеальными для будущих электрокаров.

Еще более высокую удельную отдачу энергии прочат литий-серные батареи. Вероятно, они станут лучшим выбором для действительно революционных электробатарей будущего. Правда, их разработка все еще находится на ранней стадии, и сколько потребуется на ее реализацию, никто точно не знает. 10-20 или даже 30 лет?

Почему такая большая емкость

Как правило, видя такую емкость, многие автомобилисты представляют, что у них получится на длительное время забыть о разрядке аккумулятора. Такой большой емкости удалось добиться благодаря тому, что вместо привычного электролита была использована гелеобразная масса. Она серьезно продлевает жизнь любой батареи. Помимо этого можно выделить и несколько преимуществ:

1. Серьезно снижается вес.
2. Аккумулятор получил небольшой размер.
3. Большая емкость.
4. Долговечность.
5. Надежность.

Все эти преимущества на первый взгляд могут подкупить, но если смотреть подробнее – есть и определенные тонкости. К примеру, такая технология была представлена на нашей территории совсем недавно, соответственно существует множество подводных камней, о которых многие даже не догадываются.

Сборка батареи своими руками

Чтобы собрать батарею самому, необходимо купить аккумуляторы, или в просторечии — банки. Для сборки нужно уметь паять и разбираться в основных понятиях электроники.

Для сборки батареи все купленные банки необходимо соединить параллельно. Для того чтобы определить количество банок в покупной батарее, необходимо посмотреть на этикетку. На ней пишут не только количество банок, но и количество банок, соединённых последовательно и параллельно.

Обычно буквой P указывают количество банок, соединённых параллельно, а буква S – соединенные последовательно. Например, на упаковке указано 3S2P. Расшифровывается это так: под корпусом есть 3 ряда аккумуляторов, соединённых последовательно, в каждом ряду по 2 банки.

Чтобы рассчитать ёмкость этой батареи, предположим, что у 1 банки 1500 mAh, тогда общая ёмкость равна 3000 mAh, так как при параллельном соединении возрастает ёмкость.

Если вы используете аккумуляторы, которые купили отдельно, то перед тем, как соединять их между собой, следует уровнять потенциалы на клеймах.

Если этого не сделать, то банки начнут заряжать друг друга, из-за чего возникнет сила тока больше, чем 1С.

Также перед соединением необходимо разрядить все банки так, чтобы напряжение составляло 3V, током 0.1-0.2С. Особенно всё выше сказанное касается параллельного соединения. Напряжение измеряют цифровым вольтметром, иначе могут возникнуть неточности.

Многие производители не балансируют банки, чтобы ускорить и сэкономить на производстве батареи, поэтому балансировку лучше всего будет провести самостоятельно.

Чтобы избежать разбалансированности батареи в дальнейшем, ни в коем случае нельзя добавлять новые элементы в батарею последовательно старым.

К разбалансировке может привести эксплуатация банок с разной ёмкостью, пусть даже разница между значениями небольшая. Например, 1800 mAh и 2000 mAh. У разных производителей есть аккумуляторы с разным напряжением, а это приводит к разбалансировке.

Когда все аккумуляторы куплены, то можно начинать пайку элементов. Конечно, схему расположения элементов можно придумать своими силами, но лучше всего взять готовую.

Чтобы не перегреть выходы и герметичность банки, паяем аккуратно, иначе аккумулятор выйдет из строя, даже не поработав.

Можно приобрести специальную текстолитовую печатную плату, на которой будет удобнее распаивать провода. Её припаивают к каждой банке. Это добавляет небольшой вес банке (примерно 1 грамм), но паять становится гораздо удобнее, так как стеклотекстолит плохо проводит тепло и греть можно дольше.

Для балансировки используют специальную плату, которая содержит нагрузочные резисторы, схему для управления, а также светодиод, который загорится, если напряжение будет выше 4.2V.

Если напряжение превысило это значение, то плата замыкает часть тока, что не позволяет ему дальше повышаться. Такую плату необходимо припаять к каждой банке.

Эксплуатационные особенности гелеобразных модификаций

С целью повышения электропроводности в полимерные элементы технологи все же добавляют гелеобразный электролит. О полном переходе на такие вещества речи не идет, поскольку это противоречит концепции данной технологии. Но в портативной технике часто используют именно гибридные элементы питания. Их особенность заключается в чувствительности к температуре. Производители рекомендуют использовать такие модели батарей в условиях от 60 °C до 100 °C. Это требование определило и особую нишу применения. Использовать гелеобразные модели можно только в местах с жарким климатом, не говоря о необходимости погружения в теплоизолированный корпус. Тем не менее вопрос о том, какой аккумулятор выбрать – Li-pol или Li-ion, — не так остро стоит на предприятиях. Там, где особое влияние имеет температура, часто применяются комбинированные решения. Полимерные элементы в таких случаях обычно используют в качестве резервных.

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.

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

• Стараться не доводить батарею до минимального заряда. Если прибор отключился, то необходимо быстро поставить его на зарядку.
• Не бояться частых подзарядов, это невредно для источника питания.
• Избегать перезаряда. Контроллер может зарядить аппарат до 100% при комнатной температуре, но когда прибор нагреется, то получится, что заряд будет выше 100%. Это очень плохо влияет на долговечность батареи.

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.

Правильная зарядка Li-Pol

Зарядка батареи — простое дело. Достаточно только источника постоянного тока, с напряжением в 4.2V. Ток должен быть в 1С, хотя многие современные модели могут выдержать целых 5С.

Полный заряд батареи занимает 1–3 часа, в зависимости от модели и её характеристик.

Также зарядку батареи можно прекратить, когда ток упадёт до 0.1С. Перед тем как аккумуляторы перейдут в режим стабилизации напряжения, они набирают 60–80 % энергии от всей ёмкости, при постоянном токе в 1С.

Для правильной зарядки необходимо тщательно выбирать зарядное устройство. Напряжение, которое выдаёт зарядное, должно составлять 0.01 на банку.

На рыке есть два типа зарядок. Первый — это бюджетные устройства, стоят от 10 до 50 долларов, предназначены только для . Второй — универсальные зарядные устройства, которые подойдут для разной техники. Конечно, стоят они намного дороже, от 80 долларов.

У дешёвых зарядок нет индикатора, показывающего ток, напряжение, время зарядки. Количество банок и необходимый ток выставляют с помощью перемычек либо подключая зарядное устройство к разным разъёмам на устройстве.

Плюс дешёвого варианта в низкой цене. Минус таких зарядок заключается в том, что они не умеют точно определять, когда нужно прекратить зарядку. Всё, что они могут, это определить момент перехода от стабилизации тока к стабилизации напряжения. Но, как правило, аккумулятор в этот момент заряжен только на 80 %.

У второго типа зарядных устройств есть больше преимуществ, чем у первых. Они позволяют сразу же узнать напряжение, ток, заряд, который был «передан» аккумулятору в процессе.

Реанимация lithium батарей

Предупреждение!

Рассмотрим два случая восстановление Li ion:

1. Восстановление после глубокого разряда;
2. Восстановление в случае с эффектом памяти.

В случае глубокого разряда контроллер блокирует аккумулятор препятствуя его подзарядке. Народные умельцы отключают контроллер и начинают заряжать его напрямую. Немного подняв напряжение в нем до уровня выше критического (чтобы защитная схема отключила блокировку), к нему вновь присоединяют контроллер и продолжают заряжать уже обычным образом.

Если устройство долго эксплуатируется без полного разряда, это приводит к “эффекту памяти». Например, если ноутбук работает всегда включенным в розетку, то батарея привыкает к этому и перестает выдавать номинальную емкость. Что бы сбросить это “залипание” рекомендуется начать нормальную эксплуатацию – разряжать аккумулятор до требуемых величин, хотя бы периодически.

Особенности литиевых аккумуляторов

Опыты по созданию литиевых батарей 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.

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.

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:

• Полностью выходят из строя при глубоком разряде.
• Обычные бытовые аккумуляторы не отдают больших токов разряда, силы тока может не хватать для работы устройств. Однако, существуют специальные силовые батареи, способные отдавать ток 10C и больше. C — ток разряда аккумуляторной батареи. Соответствует времени разряда аккумулятора, выраженном в часах, при максимально допустимом токе.
• Не предназначены для работы в зоне низких температур.

Терморегуляция Li-ion аккумуляторов

Как известно, любой автомобиль (если рассматривать его с технической точки зрения), съезжающий с заводского конвейера, выпускается не просто так, а с учетом будущих условий эксплуатации. Поэтому некоторые автопроизводители интегрируют системы управления температурой на своих электрокарах. Даже несмотря на то, что эти системы «прожорливы» и поглощают достаточно большое количество собственной энергии:

на непрогретом автомобиле в мороз нагреватель батарей может потреблять до 6 кВт энергии, что эквивалентно по расходу заряда движению на автомобиле со скоростью в 40 км/ч;

но даже эти затраты не являются критическими, ведь они помогают урегулировать температуру батареи для оптимизации их долгосрочной емкости, с одновременным поддержанием краткосрочной производительности.

Диаметрально противоположные действия предпринимают автопроизводители, когда за бортом жара, охлаждая батареи при необходимости с помощью системы кондиционирования во время подзарядки или при интенсивном использовании.

Кстати, совсем недавно выяснилось, что даже такой передовой электрокар, как Tesla Model S, в котором применяются самые технологичные аккумуляторные батареи в мире, по причине перегрева блока АКБ не может использоваться в качестве спортивного снаряда.

Подготовленный к гонкам электромобиль Tesla Electric GT Championship смог сделать лишь полтора круга по трассе Формулы 1 на полной мощности, после чего раз за разом происходил перегрев аккумуляторной батареи и критическое падение мощности.

Как видим, при экстремальных температурах никакие датчики, системы нагрева и охлаждения аккумуляторов не способны справиться с поставленной задачей – защитой батарей и сохранением более-менее номинальных показателей электрокара. Пока не способны справиться.

Отсюда можно сделать вывод, который состоит в том, что практически все компании, предлагающие сегодня автомобили с питанием от батарей, отстают в технологиях сохранения электроэнергии, необходимой для движения. Ведь, даже несмотря на серьезный скачок вперед Li-ion аккумуляторов, технология все еще базируется на разработках практически 200-летней давности, упираясь в работы выдающегося итальянского физика и химика Алессандро Вольта. И речь здесь идет более чем о преемственности!

И вновь повторим, что литий-ионные АКБ на сегодняшний день являются наилучшим вариантом для использования не только во всевозможных портативных электронных гаджетах, но и для электрокаров. Такой тип батарей действительно намного лучше, чем старые свинцово-кислотные или NiMh батареи.