Страница 1 из 11

Обзор “литиевых” аккумуляторов

Ni-Cd аккумуляторы ещё в строю

Ni-Cd аккумуляторы ещё в строю

Эту статью меня и Шарка заставил написать досадный случай с моим литий-полимерным аккумулятором (Li-Pol) в котором одна с трёх пластин села на 0 перед игрой 1 марта. До этого случая у меня не было никаких нареканий, акум работал на все 100 %. С вышеуказанным акумом в общем отыграл 3 игры своим приводом (150 м/с) и перед следующей игрой во время зарядки было установлено, что «умерла» одна пластина. Позже, вспомнил, что этот акум у меня один раз был на долю секунды закорочен, позже, за день до зарядки, упал на пол с высоты стола.

Начали разбираться в чём проблема, спрашивать у специалистов в этой сфере, мониторить интернет. И тут выяснились очень интересные факты и моменты в назначении, применении, использовании, зарядке литий полимерных аккумуляторов. Используя информацию с интернета по литиевым аккумуляторам, информацию от специалистов, и свой акум – мы с Шарком решили дать письменное разъяснение вкратце о литий-полимерных аккумуляторах.
Даная статья имеет цель разъяснить, что такое литий полимерные аккумуляторы, проинформировать как с ними обращаться, обезопасить от такого досадного случая тех, кто такие аккумуляторы использывает.

Литий-полимерный (Li-Pol) аккумулятор

Корпусные аккумуляторы

Корпусные аккумуляторы

Главные отличия литий-полимерного аккумулятора от аккумуляторов других электрохимических систем (NiCd и NiMh) заключаются:
• при одинаковом весе елементов они имеют большую, по сравнению с NiCd и NiMH емкость;
• напряжение элемента у них в три раза выше – 3.6V/элемент вместо 1.2V;
• в типе используемого электролита
• требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств), представляют повышенную пожароопасность при неправильном обращении.

Аккумуляторы со специфическими размерами (для устройств)

Аккумуляторы со специфическими размерами (для устройств)

Кроме того, в отличие от аккумуляторов на основе никеля (Ni-Cd или Ni-MH) Li-Ion и Li-Pol аккумуляторы обязательно включают в свой состав электронный блок (Рис 1.и Рис 2.), основной задачей которого является контроль напряжения батареи. Литиевые аккумуляторы не допускают глубокого разряда – разряд ниже 2,7…2,9 В может оказаться для них губительным и начнется процесс саморазрушения. В тоже время, заряд аккумулятора выше 4,2 В может привести к вздутию или разрыву «банки».
Упрощенно, электронный блок, входящий в состав Li-Ion и Li-Pol аккумуляторов можно представить в виде транзистора работающего в ключевом режиме и управляющей микросхемы.

Аккумулятры для упаковки в корпуса (ноутбуки, КПК и др.)

Аккумулятры для упаковки в корпуса (ноутбуки, КПК и др.)

Основной задачей транзисторного ключа является отключение цепи заряда по сигналу управляющей микросхемы, который формируется при выходе напряжения на элементе питания за допустимые пределы. Экономия на схеме защиты аккумулятора, что часто встречается в китайских поделках, делает аккумуляторы потенциально взрывоопасными. Кстати, в инструкциях на большинство вполне «фирменных» телефонов, указано, что заряжать телефон следует только под присмотром.

В литиевых аккумуляторах катод состоит из угля, анод – из диоксида лития и кобальта, а в качестве электролита используется соляной раствор, содержащий ионы лития. Типовое номинальное значение выходного напряжения одного элемента литий-ионного аккумулятора составляет 3,6 В.

Контроллер заряда присутствует во всех полимерных аккумуляторах

Рис. 1. Контроллер заряда присутствует во всех полимерных аккумуляторах

Литий-полимерные аккумуляторы – это модификация литий ионных аккумуляторов. Также как и в литий-ионных, в литий-полимерных аккумуляторах, основой электролита являются соли лития, но в Li-Pol аккумуляторах ионы лития содержаться в твердой полимерной прокладке помещенной между катодом и анодом. Если выражаться строгим техническим языком, то литий полимерные аккумуляторы следует называть литий ионными твердополимерными. Кстати многие производители маркируют аккумуляторы данного типа как Li Ion Pol.

Контроллер заряда аккумулятора мобильного телефона

Рис. 2. Контроллер заряда аккумулятора мобильного телефона

Изначально в литий-полимерных аккумуляторах вместо традиционного пористого сепаратора, пропитанного электролитом, использовался сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку. Однако такие сухие Li-Pol аккумуляторы могут использоваться только при температуре более +60 С. При комнатной температуре они обладают недостаточной электропроводностью и не могут обеспечить величину тока, необходимую для питания современных мобильных телефонов. Чтобы повысить электропроводность литий-полимерных аккумуляторов, в них добавляют гелеобразный электролит. По своим характеристикам такие Li-Pol аккумуляторы практически подобны литий-ионным, за исключением того, что Li-Pol могут работать только при положительных температурах. Стоят они также дороже и используются только в тех случаях, когда нужен аккумулятор нестандартной формы. Дело в том, что технология изготовления позволяет придавать Li-Pol аккумуляторам произвольную форму. Они могут быть очень тонкими (до 1 мм) или заполнять любое свободное место в телефоне, фото и видеокамере.
Общими плюсами Li-Ion и Li-Pol аккумуляторов являются – большая емкость, практически полное отсутствие эффекта памяти, большое допустимое количество циклов заряд-разряд, низкий уровень саморазряда. К основным минусам литиевых аккумуляторов относятся – подверженность эффекту старения и «теплолюбивость», диапазон рабочих температур ограничен: элементы плохо работают на холоде и могут взрываться при перегреве выше 70 градусов Цельсия. Не выдерживают (не любят) коротких замыканий электродов. Требуют балансировки банок (расхождения в параметрах разных банок должно быть минимальными). Не пригодны для использования в устройствах с потреблением больших токов (десятки Ампер)

Кроме того, вследствие недостаточной отработанности технологии изготовления они еще довольно дороги и недолговечны – гарантированное число полных циклов зарядки-разрядки для них по крайне мере в 2 раза меньше, чем для Li-Ion-аккумуляторов. Правда, промежуточные решения – с жидким гелиевым электролитом – уже достаточно надежны и применяются довольно широко.

НА УКРАИНСКОМ РЫНКЕ ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЙ АККУМУЛЯТОР ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РАДИОУПРАВЛЯЕМЫХ МОДЕЛЯХ, В СТРАЙКБОЛЬНЫХ ПРИВОДАХ И В ДРУГИХ УСТРОЙСТВАХ ВЫГЛЯДИТ ТАК: Пример – мой аккумулятор (рисунки 3-6)

Литий-полимерный аккумулятор производство ЕЛЕМЕНТ Китай

Рис. 3. Литий-полимерный аккумулятор производство ЕЛЕМЕНТ Китай

Склеенные двухсторонним скотчем 3 пластины, оболочка мягкая, в виде алюминиевой фольги, покрытая полиэтиленовой плёнкой, пластины на ощупь – как бы внутри каучук. Контакты выведенные на эбонитовую пластину – где и спаяны на выводы. Видны лёгкие вмятины на поверхностях пластин.

Выходя из выше изложенного, на примере моего аккумулятора, можно сказать, что:

1. склеено 3 пластины, на которых нет ни одной маркировки номинала;
2. не было замечено электронного блока (Рис 1.и Рис 2.), основной задачей которого является контроль напряжения батареи. Терзают сомнения, что этот блок (маленький транзистор) вмонтированный в пакет внутри пластины акума;

Раположение пластин в моем аккумуляторе

Рис. 4. Раположение пластин в моем аккумуляторе

3. сам сборной акум не защищён жёстким (твёрдым) корпусом так, как это сделано в аккумуляторах для телефонов, фото и видеокамер и других устройств. Отсутствие твёрдого корпуса подвергает хороший аккум опасности механических повреждений (удары, падения, вмятины, разгерметизация пакета пластины);
4. был бы аккумулятор в корпусе – был бы там и электронный ключ (транзистор);
5. аккумулятор требует бережливого отношения по сравнению с нашими стандартными акумами;

Обозначена пластина поврежденная при падении

Рис. 5. Обозначена пластина поврежденная при падении

6. складывается такое впечатление, что такие аккумуляторы делают из «расходников» для аккумуляторных блоков других устройств, так как литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы должны быть исполнены в твёрдых корпусах а не в таком исполнении.

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 (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 хранения батарея теряет около 20% ёмкости.

Предстоит замена поврежденного элемента

Рис. 6. Предстоит замена поврежденного элемента

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 3А, некоторые производители указывают 5А. Быстроразрядные аккумуляторы допускают ток разряда до 8-10А (чего явно не достаточно для роботы в нашей «специфической» игрушке 20-30А). 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.
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 – БУМ.
2. Короткое замыкание аккумулятора – БУМ, или выход из строя одной из банок (пластин).
3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С – БУМ, или выход из строя одной из банок (пластин)
4. Разряд ниже напряжения 3.00 вольта/банку – выход из строя одной из банок (пластин).
5. Слабая стойкость к механическим воздействиям – падение, перегибание, разрыв оболочки елемента.
6. 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:

Необходимость иметь специальное зарядное устройство (использует двойной цикл заряда: 1) большим током «быстрый заряд», 2) малым током «финишный заряд») и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок. Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи и КОНТРОЛИРОВАТЬ ТОК, ПОТРЕБЛЯЕМЫЙ МОТОРОМ НА «ПОЛНОМ ГАЗУ». КРОМЕ ТОГО, НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ 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 2А, а аккумулятор 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 перерозряда. Отсюда следует второе важное правило: следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте аккумулятор после работы!
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.
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ МОТОРОВ НУЖНО НЕ ДОПУСКАТЬ СИТУАЦИЙ, КОГДА МОТОР ЗАСТОПОРЕН. Ток при этом слишком велик, и мы рискуем ВЗОРВАТЬ батарею (если раньше не сгорит мотор или регулятор.
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!
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).

Заключение
Литий-полимерный аккум не может быть использован в устройствах для нормальной роботы которых необходимы большие токи (порядка 20-30А), работающих в условиях широкого диапазона температур, а также в условиях больших механических нагрузок на сам аккум. Его использование в AEG приведет к его преждевременному выходу из строя к тому же существует большая вероятность в результате его использования не по прямому назначению (в основном радио управляемые модели) получить травму (рук, глаз, т.п.) плюс высокая цена самого аккума и зарядного устройства.
И ЭТО ЕСТЬ ФАКТ.

Обзор литий фрсфатных аккумуляторов
Часть 2.

Наиболее перспективным из новых, по нашему мнению, является литий фосфатные аккумы. Предлагаем краткий обзор по этим аккумам.

Литий – Фосфаты (Lithium Iron Pho, LiFe, LiFePo4, LiPho, ЛиФо) совсем недавно появились на модельном рынке.

Недавно американская компания A123 выпустила новый тип литиевых аккумуляторов, известный, как ЛиФо, или литий-фосфатные, или LiFePO4. Силовые ЛиФо аккумуляторы относятся к литий-ионным аккумуляторам, но за счёт улучшенной технологии (модно называемой “нанофосфатная” ) достигли уровня практического применения в устройствах с большим токопотреблением, например, в некоторых “топовых” моделях электроинструмента. Не обошли вниманием эти аккумуляторы и авиамоделисты, постепенно батареи внедряются в электропневматические привода страйкеров. Судя по восторженным откликам последних, нанофосфат имеет большой потенциал развития.

Кратко о достоинства новых батарей:

1. Прочные и безопасные в отличие от Li-Po.
2. Сверхбыстрый заряд (при токе 10А полный заряд за 15 мин !!!)
3. Очень большой ток отдачи 60А – рабочий режим; 132А – кратковременный режим (до 10-ти секунд)
4. Саморазряд 3% за 3 года
5. Работают на холоде (до -30 гр. С) без потери рабочих свойств
6. Наработка на отказ 1000 циклов
7. Элементы можно составлять последовательно / параллельно, как обычные NiCd или NiMH

В настоящее время на рынке появились батареи Li-Fe китайского производства, которые по свойствам много хуже оригинальных . ВНИМАНИЕ! КОМПАНИЯ A123SYSTEMS на сегодняшний день является ЕДИНСТВЕННЫМ в мире производителем литий-нанофосфатных батарей.

Подделку определить достаточно легко:
• Емкость батареи должна быть кратна 1100 мА/ч или 2300 мА/ч (на подделках это 1200 или 1500 мА/ч).
• Вольтаж должен соответствовать кратности 3,3 (т.е. 3,3 В, 6,6 В, 9,9 В, 13,2 В)
• Китайские элементы выполнены в картонной гильзе светло-коричневого цвета
• По габаритам “китайцы” больше диаметром на 1 мм и в длину на 2 мм.
• Отсутствие балансирного разъема
• Невысокая цена
Примерно два года назад эти батареи широко начали применять в аккумуляторных блоках РУЧНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО СТРОИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА. Догадливые «моделисты» быстро оценили достоинства новых батарей и начали скупать и «перепаковывать» такие блоки. В середине 2006 года производитель представил специальные модельные Ли-Фо аккумуляторы.

На сегодняшний день патент и производство Литий-Фосфатов сосредоточены в одной компании из США – A123Systems.

Основные достоинства ЛиФо:
- очень большая нагрузочная способность (ток отдачи)
- большой срок эксплуатации
- высокая стойкость к механическим и электрическим перегрузкам
- широкий температурный спектр работы
- необязательная балансировка батарей в блоке
- быстрый заряд батареи

Основные недостатки ЛиФо:
- не лучшее соотношение энергоемкость / маса
- ценовой диктат одного производителя
- один тип предлагаемых в продаже батарей
- выпускается всего несколько типов зарядных устройств

Заключение
Приобретя модную нынче приставку “нано-” к своему названию, литий-железофосфатные аккумуляторы оказались одними из самых перспективных для дальнейшего использования в мощных устройствах (их можно использовать даже как стартерные аккумуляторы для автомобилей), примерно два года назад эти батареи начали применять в аккумуляторных блоках ручного профессионального строительного инструмента. Как бы не хотелось закончить статью, однако осталась еще тема отрицательного электрода в литий-ионном аккумуляторе. В настоящее время появляются разработки на базе титаната лития (с модной приставкой “нано-”). Сочетание этих электродов с положительными электродами на основе литий-железофосфата сулит резкое увеличение срока жизни и уровня безопасности литий-ионных аккумуляторов.
Таким образом технология ЛиФо с отрицательним литий-ионним электродом, на наш взгляд, дальнейшего развития иметь не будет, разработчики, скорее всего, сосредоточат свои усилия на разработке аккума на базе титаната лития (будем ждать появления нового поколения ЛиФо в продаже), хотя на сегодняшний день в качестве замены старого поколения аккумов (NiCd), ЛиФо вполне могу подойти, если конечно не испугает цена этих аккумов, плюс зарядное.

Один комментарий к “Обзор “литиевых” аккумуляторов”

  1. Спасибо за толковую статью. Я так понял, что если делать ЛиПо аккумуляторы то их нужно паковать в хороший пластиковый корпус, как у ноутбуков.
    Ну и самый главный вывод – юзаем НиКд НиМг дальше. По соотношению цена\качество и опыта использования – продолжаем пользовтаься относительно недорогими НиМг аккумуляторами. Атем более что в типоразмере С (Ц) появились аккумуляторы большой емкости до 4000мА\ч

Оставьте комментарий

Currently you have JavaScript disabled. In order to post comments, please make sure JavaScript and Cookies are enabled, and reload the page. Click here for instructions on how to enable JavaScript in your browser.

Вы можете использовать эти XHTML теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>


Страница 1 из 11