Литий-полимерные аккумуляторные батареи для холодного климата

В настоящее время такие химические источники тока, как литиевые аккумуляторные батареи (АКБ) и гальванические элементы, широко используются как в портативной электронике: в планшетных ПК, сотовых телефонах, ноутбуках, МР3 плеерах и т.п., так и в накопителях энергии, электротранспорте и энергосистемах.

Компании-производители изо всех сил стремятся повы­сить плотность хранения энергии в своих изделиях, с тем чтобы увеличить время автономной работы устройств. Ха­рактеристикам современных литиевых аккумуляторов выше, чем у аккумуляторов произведенных по другим технологи­ям, например, Ni-MH (никель-металлгидридные аккумулято­ры) и Ni-Cd (никель-кадмиевые аккумуляторы).

Литиевые аккумуляторы обладают следующими преиму­ществами:

• высокая удельная емкость.
• небольшая масса;
• отсутствие «эффекта памяти», что дает возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необхо­димости,
• низкий уровень саморазряда – не более 3…5% в месяц. Однако литиевые аккумуляторы имеют и ряд недостат­ков, а именно:
• более высокая стоимость по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами;
• необходимость наличия схемы защиты, которая ограни­чивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время его заряда и предохраняет эле­мент от слишком низкого понижения напряжения на нем при разряде.
• необходимость наличия еще одной схемы защиты, кото­рая контролирует температуру элемента и ограничивает максимальные токи его заряда и разряда.

Основные характеристики литиевых АКБ, в некоторой сте­пени, зависят от химического состава их компонентов и мо­гут изменяться в указанных ниже пределах:

• удельная энергоемкость (С) 110…243 Вт·ч/кг,
• напряжение единичного элемента:
• номинальное 3,6…3,7 В;
• максимальное 4,2 В;
• минимальное 2,..3,0 В;
• ток нагрузки относительно емкости С, представленной в А·ч
• постоянный до 3…5С (тип.);
• оптимальный до 1С;
• саморазряд при комнатной температуре 3…5% в месяц;
• число циклов «заряд/разряд» до уменьшения емкости до 80 % 600;
• диапазон рабочих температур -20…60 ºС (оптимальная 20 ºС).

Развитие технологии производства литиевых аккумуляторов

Основными задачами развития технологии являются ре­шения проблемы обеспечения безопасной эксплуатации и уменьшение и высокой стоимости АКБ, Развитие в этих 2 направлениях привело к разработке литий-полимерных (Li-pol) аккумуляторов.

Основное их отличие, от ставших уже привычными Li-ion, заключается в типе используемого в них электролита.

При разработке Li-pol аккумуляторов использовался су­хой твердый полимерный электролит. Он похож на пласти­ковую пленку и не проводит электрический ток, но позволя­ет обмен ионами. Такой полимер заменил традиционно ис­пользуемый в АКБ пористый сепаратор, пропитанный элек­тролитом. Полимерный электролит упрощает процесс произ­водства, характеризуется большей безопасностью и позво­ляет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. Дополнительным плюсом такой технологии производства ак­кумуляторов является то, что отсутствие жидкого электроли­та исключает возможность воспламенения. Итоговая толщи на элемента составляет около 1 мм, что позволяет разра­ботчикам свободно выбирать его форму, размеры и очерта­ния, и даже включать его во фрагменты одежды.

Достоинства литий-полимерных аккумуляторов:

• незначительное уменьшение напряжения по мере раз­ряда;
• малый саморазряд;
• свобода в выборе формы АКБ;
• толщина элементов от 1 мм;
• повышенная безопасность.

Однако, по сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют мень­шую ионную проводимость, более того, она снижается при температуре ниже нуля.

Таким образом, перед разработчиками Li-pol-аккумуляторов стоят две задачи: расширение диапазона рабочих тем­ператур и поиск наиболее подходящего электролита с повы­шенной проводимостью и, к тому же, совместимого с элек­тродными материалами.

Li-pol-аккумуляторы выпускают многие мировые произво­дители, но при этом технологии изготовления Li-pol -аккумуляторов и используемые при этом электродные материалы и ре­цептура электролита у разных компаний, сильно отличаются.

В итоге АКБ разных производителей имеют как разные ха­рактеристики так и разные габариты, при одной и той же ем­кости. Технология производства АКБ, а именно соотношение компонентов электролита и температура его полимеризации оказывают сильное влияние на однородность полимера, от ко­торой зависит стабильность работы Li-pol аккумуляторов.

Надо отметить, что продуктовая линейка компаний про­изводителей включает в себя первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) литиевые батареи.

Морозоустойчивые Li-pol Batterie

Основным недостатком литиевых ак­кумуляторов является существенное уменьшение их емкости и быстрый раз­ряд при низких температурах. У АКБ боль­шинства производителей минимальная ра­бочая температура составляет -20°С.

Компания ЕЕМВ разработала и серийно произво­дит литий-полимерные АКБ работающие при темпера­туре -40⁰С и выше (табл.1). При температуре -40°С и токе разряда 0.2С (напряжение отсечки 2.75 В) емкость АКБ остается на уровне 70% от номинальной, что пре­вышает требование военных стандартов – 40%.

Le tableau 1

Nom du produit	Номинальное напряжение, В	Емкость. мА·ч		Размеры, мм			Вес, г
LP383454LC	3.7	720	670	3.8	34	Cinquante quatre	14,4
LP603048LC	3.7	900	850	6 1	30	48	18
LP963450LC	3.7	1800	1700	9.6	34	50	36
LP103450LC	3.7	1850	1800	10	34	50	37
LP505597LC	3.7	3100	2900	Cinq	55	97	62

Морозостойкая серия АКБ от компании ЕЕМВ мар­кируется символами LC в конце наименования, напри­мер, LP103454LC имеющего емкость 2 А·ч (см. фото в начале статьи), где:

• LP – тип аккумулятора (Li-Pol);
• 10 – толщина аккумулятора (1,0 мм);
• 34 – ширина аккумулятора (34 мм);
• 54 – длина аккумулятора (54 мм);
• LC – низкотемпературная версия.

Благодаря запуску в производство этой серии акку­муляторов открываются новые возможности применения Li-pol АКБ.

Графики зависимости емкости и напряжения при темпе­ратуре -10°С и -20°С, для стандартной версии аккумулятора (кривые 1 и 2), а также для низкотемпературной LC-версии аккумулятора (кривая 3) приведены на рис.1. Эти кривые снимались при разрядном токе 0,2 С до напряжения отсеч­ки 2,75 В. В табл.2 приведены абсолютные значения емкости АКБ при тех же условиях раз­ряда.

Как видно из рис.1 и табл.2. стандартные АКБ компании ЕЕМВ, допускают возможность разряда только до температуры -20°С, и при этом, у них потеря емкости составляет 15…17%. Это немного, но их минимально до­пустимая температура -20°С не­достаточная для холодных райо­нов Земли.

Le tableau 2

Версия батареи/температура	Энергоемкость батареи при разных рабочих температурах, %
	60°С	25°С	-20° С	-40° С
Стандартная батарея	98	98	83	-
Низкотемпературная (LC)	98	98	90	70

У морозоустойчивой LC-ceрии аккумуляторов также проис­ходит снижение емкости при от­рицательной температуре. Это снижение составляет 25…30%, при температуре -40°С, что является весьма неплохим показателем. Учитывая, что сто­имость Вт·ч новой серии АКБ выше стандартной версии примерно на 18…25%. можно утверждать, что ЕЕМВ имеет линейку очень перспективных аккумуляторов для примене­ния в суровом арктическом или высокогорном климате. Особенностью морозоустойчивой LC-серии аккумулято­ров от компании ЕЕМВ является то, что они могут не толь­ко отдавать заряд при отрицательной температуре, но и их можно заряжать при низкой температуре. АКБ серии LC можно заряжать при температуре выше -10°С током 0,2С, но при этом АКБ можно зарядить только до 70% от номи­нальной емкости (в технических данных большинства про­изводителей. эта информация, как правило, отсутствует).

Важным параметром морозоустойчивых аккумуляторов является изменение их свойств при низкой температуре хранения. На рис.2 изображена зависимость емкости от температуры хранения при 20°С и -40°С. Аккумуляторы раз­ряжались током 1500 мА после хранения в течение 15 су­ток (при температуре -40°С) и 30 суток (при температуре 20°С). За это время емкость АКБ, хранившегося при темпе­ратуре 20 ⁰С. уменьшилась на 7%, а хранившегося при тем­пературе -40°С – на 48%.

Впоследствии АКБ, которая хранилась 15 суток при тем­пературе -40°С, и была затем полностью разряжена, была заряжена при температуре 0°С, и вновь была проверена ее емкость (рис.3). На рис.3 обозначены:

1. – первый цикл разряда при 0⁰С;
2. – второй цикл разряда при 0⁰С;
3. – первый цикл заряда при 0⁰С;
4. – второй цикл заряда при 0⁰С.

Измеренная в ходе второго цикла разряда емкость АКБ составила 99% от первоначального значения. Это очень хо­рошие результаты, ведь температура -40°С для аккумулято­ра – это очень суровые условия. Тот факт, что за 15 дней хранения при такой температуре АКБ сохранила половину своей емкости, а при последующем заряде емкость АКБ практически полностью восстановилась, говорит о высоком ка­честве морозоустойчивой LC-серии аккумуляторов ЕЕМВ.

Conclusion

В ряде случаев весьма актуальна возможность работы при низких температурах, например, для средств радиосвя­зи, портативной аппаратуры, устройств индивидуальной сиг­нализации (электронный маяк спасателя), контрольно-измерительной и контрольно-диагностической аппаратуры, и т.п. В этом случае целесообразно использовать рассмотренные выше АКБ серии LC компании ЕЕМВ. Далеко не все произ­водители литий-полимерных АКБ имеют в линейке своей про­дукции морозостойкие АКБ.

Основным достоинством современных литий-полимер­ных аккумуляторов является отсутствие в них жидкого элек­тролита, благодаря чему они более безопасны, чем имеющие несколько лучшие удельные характеристики, но пожаро опасные литии-ионные аккумуляторы. В ходе проведения про­верок по безопасности использования:

• короткое замыкание
• перезаряд;
• форсированный разряд.
• раздавливание;
• протыкание Li-pol-аккумуляторы показали существенно более высокие показатели безопасности по сравне­нию с литий-ионными аккумуляторами с жидким элек­тролитом.

В связи с этим, не вызывают сомнения перспективы серьезного расширения производства Li-pol-аккумуляторов и использования их в самых разнообразных областях техни­ки. Тем более, что появление элементов Li-pol АКБ толщи­ной всего в 1 мм открыло, перед конструкторами электрон­ных устройств, новые возможности в отношении конечной формы и размеров новой аппаратуры и сняло многие огра­ничения относительно микроминиатюризации радиоэлектрон­ных устройств.

Auteur : Андрей Довгань, г. Белгород