В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли
никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются
занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то
степени потеснили NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как
способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не
смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми
аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы от
Li-ion?
Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера не
задумываемся о том, какой аккумулятор у них внутри и чем вообще различаются эти
устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими
качествами тех или иных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать. Тем,
кто спешит и желает сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор является
оптимальным для сотового телефона, я отвечу коротко - Li-ion. Дальнейшая
информация предназначена для любознательных.
Для начала небольшой экскурс в историю.
Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но
только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены
в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие
вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся
батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением
безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет
наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность
энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды,
характеризуются и высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате
многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа
(заряд - разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом
электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется
угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура
элемента быстро приближается к точке плавления лития - и начинается бурная
реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество
литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991
году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения.
Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой взор в
сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного
проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности
при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion
аккумуляторы.
Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность
стандартных NiCd ,
а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается
еще больше увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В
дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя
аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик подобна и отличается лишь
напряжением).
На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion
аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того
или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим
только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих
устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных
аккумуляторов.
Основные преимущества.
Высокая плотность энергии и
как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с
аккумуляторами на основе никеля.
Низкий саморазряд.
Высокое напряжение
единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает
конструкцию - зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента.
Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой
одноэлементный аккумулятор . Однако, чтобы обеспечить ту
же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует
обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.
Низкая стоимость
обслуживания (эксплуатационных расходов) - результат отсутствия эффекта
памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления
емкости.
Недостатки.
Для аккумулятора требуется
встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его
стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом
элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента
от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает
максимальные токи заряда, разряда и контролирует температуру элемента. В
результате возможность металлизации лития практически исключена.
Аккумулятор подвержен
старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения
характерен для большинства Li-ion аккумуляторов. По вполне очевидным
причинам производители об этой проблеме умалчивают. Незначительное
уменьшение емкости становится заметным уже через год вне зависимости от
того, находился аккумулятор в эксплуатации или нет. Через два или три года
он часто становится непригодным к использованию. Впрочем, аккумуляторы
других электрохимических систем также имеют возрастные изменения с
ухудшением своих параметров (это особенно справедливо для NiMH,
подверженных воздействию высокой температуры окружающей среды). Для
уменьшения процесса старения храните заряженный примерно до 40 % от
номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона.
Более высокая стоимость по
сравнению с NiCd аккумуляторами.
Затруднено быстрое
тестирование
аккумуляторов (например, на анализаторе Cadex C7xxx), поскольку технология
их изготовления до конца еще не отработана и постоянно меняется.
Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Она
обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как "ведут себя”
новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.
Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с обеспечением
безопасности его эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем
и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов.
Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе
используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой
твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий
электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными
атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет
традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.
Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей
безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. К
тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность
воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что
разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть
до внедрения его во фрагменты одежды.
Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной
электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их
слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для современных
средств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В то же
время при нагревании до 60 °C
и более электропроводность Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня,
однако для массового использования это не годится.
Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим твердым
электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные аккумуляторы, как
ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году. Они будут стабильными,
допускать1000 полных циклов заряда-разряда и иметь более высокую плотность
энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы
Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время
используются в качестве резервных источников питания в жарком климате.
Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие элементы,
поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.
Вы спросите: как же так? На рынке вовсю продают Li-polymer аккумуляторы,
изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для
коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае
речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того чтобы
повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют
некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer
аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически
являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Правильнее было
бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в
рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer. Остановимся подробнее на
этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку на данный момент именно они
представляют наибольший интерес.
Итак, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой
гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность
обеих систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так
назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется твердый
электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется
только для увеличения ионной электропроводности.
Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства
задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению
некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги в разработку
и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить свои инвестиции обратно.
Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя при массовом
производстве Li-ion полимерные аккумуляторы будут дешевле литий-ионных.
А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.
Их основные характеристики очень похожи.
Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С
(численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет в
среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе, равном
верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3 %
от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. На первой стадии зарядки(час с
небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до
момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту
аккумулятор заряжается примерно на 70 % от своей емкости. В начале второго
этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается до тех пор, пока
не достигнет вышеуказанных 3 %. После этого заряд полностью прекращается.
Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то
подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно его
проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и
прекращают при достижении 4.2 В
Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство
разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре
от 5 до 45 град.C. При температуре от 0 до 5 град.C рекомендуется заряжать током в
0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна
температура от 15 до 25 градусов C.
Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным,
поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов
аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые он
использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.
А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до
значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний порог
составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как
правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи
жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне
постепенно уменьшается, и как только оно достигнет 3.0 В, аппарат предупредит
вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять
энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная, требуется для
определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций.
Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя схема управления и
защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен даже для
аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые
аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, напряжение на них упадет ниже
2.5 В, что очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы
управления и защиты, и не все зарядные устройства смогут зарядить такие
аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается на
внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор
должен заряжаться на первом этапе током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы
скорее любят находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном.
Несколько слов о температурных условиях при разряде (т.е. во время работы).
Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной
температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок их службы.
Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при
температуре более 30°C,
но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно
так же и Li-ion лучше работают при высокой температуре, которая поначалу
противодействует увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся
результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение
температуры, в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому
дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.
Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы
с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима
температура от 60°C
до 100°C.
И такие аккумуляторы заняли свою нишу на рынке резервных источников в местах с
жарким климатом. Они помещаются в теплоизолированный корпус со встроенными
элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Li-ion полимерные
аккумуляторы в качестве резервных, как считают, превосходят по емкости и
долговечности VRLA аккумуляторы, особенно в полевых условиях, когда управление
температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.
При низких температурах эффективность
аккумуляторов всех электрохимических систем резко падает. В то время как для
NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов температура -20°C является пределом, при
котором они прекращают функционировать, NiCd продолжают работать до -40°C. Отмечу только, что
речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.
Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких
температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен в этих
условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких
температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в этих случаях должен быть
уменьшен до 0.1C.
Владимир Васильев 26 ноября 2001
г. Обратили внимание на год написания статьи.Похоже,что многое сбылось и нашу эпоху в будущем назовут "литиевым веком".