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 АКБ

 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%.

Таблица 1

Наименование	Номинальное напряжение, В	Емкость. мА·ч		Размеры, мм			Вес, г
LP383454LC	3.7	720	670	3.8	34	54	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	5	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.

Таблица 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.

Заключение

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.

Автор: Андрей Довгань, г. Белгород