Baterie litowo-polimerowe

Ciągły rozwój technologii korzystnie wpływa na wiele aspektów życia ludzi. Potrzeba posiadania wysokowydajnych zasilaczy o dobrym stosunku bezpieczeństwa, kosztów i wydajności doprowadziła do powstania elementów litowo-polimerowych.

Co to jest bateria litowo-polimerowa

Akumulatory litowo-polimerowe to galwaniczne zasilacze, które wykorzystują materiały polimerowe nasycone litem jako elektrolit.

Technologia litowo-polimerowa stała się nowym etapem w rozwoju źródeł energii litowo-jonowej, co obniżyło koszty ich produkcji i pozwoliło na stworzenie miniaturowych i elastycznych akumulatorów.

Kupując i używając takich baterii, musisz zrozumieć oznaczenia, które mają na nich zastosowanie, które mają następujące funkcje:

• pojemność baterii jest wskazywana w mAh;
• liczba obok angielskiej litery S w oznaczeniu wskazuje liczbę poszczególnych elementów (puszek) w akumulatorze, z których każdy ma napięcie nominalne 3,7 wolt i maksymalnie 4,2 wolt;
• liczba obok litery C wskazuje maksymalny prąd wyjściowy w jednostkach C. Maksymalny prąd rozładowania w miliamperach na godzinę jest równy pojemności akumulatora pomnożonej przez tę wartość;
• liczba obok litery P wskazuje liczbę puszek połączonych równolegle. Podczas używania jednej puszki ta wartość zwykle nie jest wskazywana.

Tak więc oznaczenie 2600 mAh 3S 20C oznacza akumulator litowo-polimerowy 2600 mAh o napięciu nominalnym 11,1 wolta (maksymalnie 12,6 wolta), z trzema zespołami połączonymi szeregowo i dopuszczalnym prądem rozładowania 52 amperów (2600 x 20 = 52000 mA).

Jaka jest produkcja baterii litowo-polimerowych

W produkcji zasilaczy litowo-polimerowych stosuje się tę technologię:

1. Zawiesinę nakłada się w kontrolowany sposób za pomocą aktywnych materiałów katody i anody (dwa różne procesy) na powierzchnię folii aluminiowej lub miedzianej, która działa jak kolektor prądu.
2. Folia z nałożonym materiałem jest suszona, cięta na elementy o wymaganym rozmiarze i kształcie.
3. Przeprowadza się przygotowanie polimerowego separatora elektrolitów, który następnie umieszcza się między warstwami folii z aktywnymi materiałami katody i anody.
4. Wielowarstwowy akumulator jest montowany, uszczelniany i suszony.
5. Gdy stosuje się separator polimerowy, który wymaga wtrącenia elektrolitu żelowego, jest on wypełniony odpowiednią ilością cieczy elektrolitowej.
6. Montaż nakładek kontaktowych, pakowanie w osłonę ochronną i przycinanie wystających części.
7. Zewnętrzne zaciski akumulatora są zainstalowane.
8. Przeprowadzany jest cykl kontroli ładowania / rozładowania i testowania.
9. Przeprowadzane jest ubijanie, sortowanie według pojemności i rysowanie odpowiednich oznaczeń.
10. W razie potrzeby przewody są lutowane do zacisków akumulatora.
11. Przeprowadzana jest kontrola jakości, pakowanie ogniw akumulatorowych w obudowie, na którym nakładane jest niezbędne oznakowanie i opakowanie.

Zasada działania i urządzenie litowo-polimerowa bateria

Zasada działania akumulatorów litowo-polimerowych opiera się na zastosowaniu efektu półprzewodnikowego w substancjach polimerowych z wtrąceniami jonów elektrolitowych. Dodanie elektrolitu do polimerów powoduje wzrost ich przewodności jonowej przy jednoczesnym zachowaniu właściwości izolacyjnych tworzywa sztucznego w odniesieniu do elektronów.

Siła elektromotoryczna w stosunku do jonów litu występuje w wyniku odwracalnej reakcji chemicznej między anodą (plus) węgla (zwykle grafit) a katodą (minus) kobaltu, tlenku wanadu lub manganu, umieszczonych w elektrolicie polimerowym z solami litu.

Istnieją trzy rodzaje elektrolitów polimerowych:

1. Całkowicie suche elektrolity polimerowe, które są plastyczne z dodatkiem soli litu, dają niski prąd w temperaturze pokojowej, niewystarczający dla większości nowoczesnych urządzeń i są droższe niż zwykłe baterie litowo-jonowe.
2. Żelowe elektrolity polimerowe, które są suchymi polimerowymi elektrolitami przeplatanymi plastyfikatorami-rozpuszczalnikami, mają akceptowalne wskaźniki pojemności, wytrzymałości i kosztu i są najczęściej stosowane w praktyce.
3. Niewodne roztwory soli litu rozmieszczone w mikroporowatej matrycy polimerowej przez absorpcję.

Masowo sprzedawane akumulatory Li Po to w rzeczywistości hybrydy, które łączą nie tylko czysty suchy elektrolit polimerowy, ale także niewielką ilość elektrolitu żelowego, który zawiera również źródła litowo-jonowe.

Dodanie wtrąceń elektrolitu żelowego do stałego elektrolitu polimerowego zwiększa jego przewodność jonową i charakterystykę elektryczną, w szczególności prąd roboczy wzrasta do wartości niezbędnej dla większości nowoczesnych małych urządzeń.

Bateria litowo-polimerowa: zalety i wady

Zasilacze litowo-polimerowe mają następujące zalety:

• wysoka gęstość energii w stosunku do ich masy, 4–5 razy wyższa niż w przypadku akumulatorów niklowo-kadmowych i 3–4 razy wyższa niż w przypadku źródeł energii niklowo-wodorkowej;
• niski prąd samorozładowania i wysoka wydajność prądowa;
• zdolność do tworzenia elastycznych i bardzo cienkich produktów;
• brak efektu pamięci;
• utrzymywanie napięcia w dopuszczalnych granicach podczas rozładowania roboczego;
• szeroki zakres dopuszczalnych temperatur podczas pracy (od -20 do +40 stopni).

Akumulatory litowo-polimerowe mają pewne wady:

• zagrożenie pożarowe w przypadku przeładowania / przegrzania. Baterie te wymagają zastosowania ochronnej elektroniki, która monitoruje prąd ładowania i temperaturę, a także specjalnego algorytmu ładowania;
• efekt starzenia się, który prowadzi do zmniejszenia pojemności podczas długotrwałego przechowywania i pracy (uważa się, że akumulator traci do 20% pojemności każdego roku);
• awaria podczas głębokiego rozładowania (poniżej 3 woltów);
• strach przed przegrzaniem powyżej 60 stopni i przeładowaniem powyżej 4,2 woltów (przy napięciu powyżej 4,5 woltów możliwa jest eksplozja);
• zastosowanie cienkiej skorupy (zwykle w postaci folii) w niektórych z tych akumulatorów zmniejsza koszt ogniw Li Pol, ale jednocześnie zmniejsza ich wytrzymałość.

Gdzie stosuje się baterie Li Pol?

Ze względu na niewielką wagę i wysoką moc ten typ zasilacza jest szeroko stosowany do zasilania małych i dużych urządzeń, w tym:

• telefony komórkowe i smartfony;
• modele sterowane radiowo, kwadrokoptery, mikroplany;
• elektronarzędzie;
• technologia cyfrowa, ultrabooki;
• samochody elektryczne.

Wytyczne dotyczące baterii Li Pol

Aby zapewnić niezbędny poziom bezpieczeństwa i przedłużyć żywotność zdrowych akumulatorów, musisz przestrzegać następujących zasad:

1. w przypadku uszkodzenia, pęcznienia akumulatorów nie można ich używać, ale należy je zutylizować;
2. akumulatory należy ładować pod nadzorem wysokiej jakości ładowarki, aby uniknąć przegrzania akumulatora. Jeśli podczas ładowania pojawi się płonący zapach, wzdęcia, zapłon, należy go natychmiast zatrzymać i odłączyć akumulator od ładowarki;
3. lepiej jest ładować na niepalnej powierzchni, na przykład na płytce ceramicznej lub talerzu porcelanowym, po pełnym naładowaniu źródła zasilania lepiej pozwolić mu ostygnąć, a dopiero potem zacząć z niego korzystać;
4. rozładowanie poniżej 3 woltów, przegrzanie lub przechłodzenie, które zmniejszają pojemność i całkowitą liczbę cykli ładowania i rozładowania, nie może być dozwolone;
5. najdłuższa żywotność ogniw LiPo została osiągnięta przy zachowaniu poziomu naładowania na poziomie 45%;
6. Najlepszy tryb ładowania akumulatorów LiPo zapewniają ładowarki Sony na około trzy godziny. Odbywa się to w trzech etapach:
   • Po pierwsze, przez około godzinę ładowanie odbywa się do 70% prądem stałym 0,5–1 od wyjściowej mocy akumulatora do napięcia 4,2 wolta;
   • Ładowanie trwające od 1 godziny do 90% napięciem nie większym niż 4,2 wolta przy stopniowo malejącym prądzie (do około 0,2 prądu wyjściowego);
   • Na trzecim etapie ładowanie odbywa się w ciągu godziny do 100% przy małym stale malejącym prądzie.

Tanie ładowarki kończą ładowanie w pierwszym etapie, po osiągnięciu napięcia 4,2 V, więc akumulator nie osiąga pełnej pojemności.

• Unikaj porażenia akumulatora, zwarć lub rozładowywania przez bardzo wysokie prądy, ładowanie powyżej 4,2 V na ogniwo ogniwa - wszystkie te przyczyny mogą spowodować pożar;
• jeśli stosowane są akumulatory złożone z kilku ogniw Li Pol, lepiej jest ładować je osobno lub zastosować specjalny ładunek wyrównawczy z równoważeniem dla każdego ogniwa. Zasada działania takiego urządzenia polega na zatrzymaniu ładunku poszczególnych elementów, gdy osiągną one napięcie około 4,17 wolta;
• Przed uruchomieniem nowych baterii lepiej jest je skalibrować poprzez podwójne pełne naładowanie i rozładowanie.

W niektórych akumulatorach Li Pol rozładowanie niższe niż 2,5 V może prowadzić do metalizacji litu, co prowadzi do tworzenia mostków przewodzących w akumulatorze i zwarcia. Podczas ładowania takiej baterii dochodzi do niekontrolowanego nagrzewania, co może doprowadzić do wybuchu takiego źródła energii. Dlatego baterie, w których napięcie spadło poniżej krytycznego poziomu 3 woltów, lepiej nie używać, a jeśli napięcie spadnie do 2,5 woltów i poniżej, należy je zutylizować.

Jak przechowywać baterie litowo-polimerowe

Pożądane jest przechowywanie naładowanych akumulatorów LiPo w skrzyniach ochronnych w temperaturze pokojowej podczas ładowania na poziomie 3,6-3,8 woltów.

Przed przechowywaniem ogniw LiPo zaleca się ich naładowanie do 40-50%, odłączenie od zasilanych urządzeń i okresowe, co najmniej raz na sześć miesięcy, sprawdzanie poziomu naładowania.

Utylizacja baterii litowo-polimerowych

Utylizacja zasilaczy LiPo ma szczególne znaczenie ze względu na ich duże zagrożenie pożarowe. Są mniej toksyczne niż akumulatory niklowo-kadmowe, ale nadal zawierają substancje szkodliwe dla środowiska.

Aby całkowicie i bezpiecznie pozbywać się akumulatorów litowo-polimerowych, należy przestrzegać następujących wymagań:

• Rozładowane akumulatory są wyrzucane do plastikowych pojemników z roztworem woda-sól (około pół szklanki soli na 1 litr wody) przez około 2 tygodnie (aż do zakończenia produkcji gazu) w budynku niemieszkalnym. Następnie można je wyrzucić ze zwykłymi śmieciami;
• Przed utylizacją akumulatory należy rozładować do co najmniej jednego wolta (można to zrobić za pomocą żarówki jako ładunku);
• jeśli obudowa baterii jest uszkodzona, nie trzeba jej rozładowywać, ale należy ją wyrzucić do roztworu soli wodnej;
• jeżeli rozładowanie jest wytwarzane przez prąd większy niż dopuszczalny, związany z wartością maksymalnego prądu wyjściowego C, akumulator powinien znajdować się w wiadrze z piaskiem lub w innym miejscu z ochroną przed ogniem;
• Mechaniczne niszczenie baterii nieprzetworzonych w soli fizjologicznej jest niedozwolone, co może spowodować pożar. Szczególnie niebezpieczne pod tym względem są baterie z katodą kobaltową.