Литий ионный или литий полимерный аккумулятор – что лучше?

1 ноября 2021

В производстве накопителей энергии устаревшие технологии быстро сменяются новыми решениями. Вначале аккумуляторы NiCd были вытеснены элементами типа NiMH. Взамен им были созданы более совершенные генерации аккумуляторных батарей – Li-ion, LiFePO4, Li-Pol. В данной статье мы рассмотрим отличия Li-ion и литий-полимерного аккумулятора, их преимущества и предпочтения по выбору с учетом особенностей предстоящего применения АКБ.

Особенности литиевых аккумуляторов

Литиевые аккумуляторы начали массово производить в начале 1990-х. Функции активного электролита на начальном этапе выполняли кобальт и марганец. Теперь в Li-ion накопителях в качестве вещества катода применяются кобальтат лития, литий-марганцевая шпинель, литий-феррофосфат и другие составы. Но ключевую роль играет не разновидность вещества, а особенности его расположения в блоке.

В них электроды (катодная база на фольге из алюминия и анод из меди) разделяются пористым сепаратором, который пропитывается электролитом. Катод и анод в блоке соединены токоснимающими клеммами. Обслуживание заряда обеспечивают положительно заряженные ионы Li. Они с легкостью проходят в кристаллические решетки различных веществ, создают связи, инициируют протекание реакций и вызывают выход энергии. По принципу работы Li-ion накопители энергии схожи с гелевыми АКБ полного формата.

Плюсы и минусы литий-ионных аккумуляторов (Li-ion)

Основные плюсы и минусы Li-ion батарей перечислены в таблице:

Достоинства

Недостатки

Малый саморазряд – в 1-й месяц до 6%, в последующие – слабее. Защитный контур расходует порядка 3% накопленной энергии в месяц.

Необходимость применения интегрированной защитной платы. Она ограничивает максимальное напряжение при заряде и не допускает его критического снижения при разряде, ограничивает предельные токи и контролирует температуру.

Высокая плотность энергии и разрядных токов.

Подверженность старению, даже без эксплуатации.

Высокое напряжение ячеек по сравнению с NiCd и NiMH элементами – 3,6 В.

Существенное падение емкости на морозе.

Отсутствие эффекта памяти и простота обслуживания.

Относительно высокая стоимость (по сравнению с АКБ типа NiCd).

Большой эксплуатационный ресурс.

Небольшие размеры, легкий вес.

Отсутствие требований по обслуживанию (кроме подзарядки).

Технология создания Li-ion батарей с каждым годом улучшается, приводя к повышению безопасности их эксплуатации и снижению стоимости.

Плюсы и минусы литий-полимерных аккумуляторов (Li-Pol)

Важным преимуществом литий-полимерных аккумуляторов является отличное соотношение емкости и массы. Благодаря этому качеству Li-Pol источники тока широко применяются при оснащении квадрокоптеров и других радиоуправляемых моделей, в мобильных телефонах и цифровой технике. Ключевые плюсы и минусы Li-polymer аккумуляторов указаны в таблице:

Достоинства

Недостатки

Легкий вес в сочетании с высокой емкостью.

Относительно высокая стоимость.

Возможность создания аккумулятора произвольных габаритов и форм, в т. ч. очень тонких.

Необходимость в особом режиме подзарядки.

Быстрая подзарядка.

Необходимость балансировки ячеек.

Отсутствие эффекта памяти.

Чувствительность к глубокому разряду, перезаряду, низким температурам.

Незначительный износ.

Высокая степень надежности и безопасная эксплуатация.

Малый саморазряд – до 5% в месяц.

Неприхотливость в обслуживании.

Меньший износ и саморазряд.

Чем отличается от литий-ионных аккумуляторов (Li-ion) литий-полимерные (Li-Pol)?

Усовершенствование Li-ion батарей было направлено на повышение безопасности их использования и удешевление технологии. Решить эту задачу удалось при помощи смены электролита – вместо пористого сепаратора с пропиткой из электролита начали применять полимерный электролит. Прежде он использовался в роли пластиковой пленки для проведения тока. В Li-pol накопителях энергии толщина элемента стартует от 1 мм, что позволяет получать изделия всевозможных форм и габаритов. Литий полимерный аккумулятор отличие от ионного зависит напрямую от сферы применения.

Но принципиальный ответ на вопрос, в чем разница Li-Pol аккумуляторов от Li-ion моделей, – это неиспользование электролита в жидком состоянии и сведение к минимуму риска воспламенения. В литий-полимерных АКБ нет ни жидких, ни гелевых электролитов. Активное вещество представляет собой твердую пластину и в области соприкосновения с литием не допускает образования дендритов при циклировании. Благодаря этому устраняется риск взрывов и возгораний литий-полимерных АКБ.

Изначально Li-Pol источники тока имели слабую проводимость и не подходили для портативных аппаратов. Но этот недостаток удалось устранить благодаря использованию гелеобразного электролита. Усовершенствованные Li-polymer накопители энергии имеют мембрану с электролитом. Для ее изготовления используется разделитель из пропилена или пористый полиэтилен, внутри которого содержится полимер. Взаимодействуя с жидкостью-электролитом, он становится гелеобразным.

Сравнительная таблица литий-ионных (Li-ion) и литий-полимерных (Li-Pol) аккумуляторов

Чтобы выяснить с учетом индивидуальных приоритетов, что лучше, Li-polymer или литий-ионная АКБ, нужно сопоставить их характеристики. Это легко сделать с помощью сравнительной таблицы:

Характеристика

У Li-ion батарей

У Li-Pol батарей

Количество циклов

Больше

Меньше

Выбор типоразмеров

Узкий, есть модели в форме цилиндра и призмы, самый популярный цилиндрический размер – 18650.

Широкий, без стандартных рамок формата элементов питания, возможно создание элементов толщиной от 1 мм.

Вес

Немного больше

Легкий – за счет применения гелеобразного электролита и сокращения элементов из металла.

Емкость при идентичных размерах

Ниже

Выше, почти вдвое.

Плотность энергии на единицу массы

От 100 до 190 Втч/кг, в зависимости от материала катода.

От 130 до 200 Втч/кг.

Эксплуатационный ресурс

Приблизительно одинаковый: у литий-ионных – от 500 до 2000 циклов заряд-разряд, в зависимости от материала катода, у литий-полимерных – 800 – 1000 циклов.

Риск взрыва или возгорания

Присутствует, но использование платы защиты исключает такой риск.

Минимизирована – благодаря невозможности утечки электролита и использованию интегрированной защиты от избыточного заряда.

Допустимые температуры

От -20 до +60 °С, оптимально – от 0 до +30 °С.

Длительность подзарядки

Больше

Меньше

Напряжение (номинал)

3,6 В

3,7 В

Граничное напряжение разряда

2,8 В

3 В

Оптимальный и пиковый ток нагрузки

<1С и ˃2С, где С – значение емкости.

Особенности заряда

Током величиной 0,1…1С до достижения 4,1…4,2 В, а затем при неменяющемся напряжении.

Степень износа (естественное старение)

Порядка 0,1% в месяц.

Ниже, 20% за 2 года.

Скачки напряжения при разряде

Малые

Ценовая категория

Ниже

Выше

По этой таблице легко сопоставить, чем лучше литий-ионные аккумуляторы, и по каким параметрам они уступают литий-полимерным аналогам.

Как работают литий-ионные аккумуляторы в смартфонах?

Удивительно, но литий-ионные аккумуляторы придумали больше сотни лет тому назад — еще в 1912 году. Тем не менее, они стали популярными только в начале 90-х — это произошло после того, как компания Sony, которая в то время считалась технологическим пионером, начала использовать их в 1991 году. С тех пор на них перешли и другие производители — сначала их начали использовать в музыкальных плеерах и портативных камерах, а потом в мобильных телефонах и, конечно же, смартфонах. Для сегодняшнего ритма инноваций удивительно, что от разработки технологии до ее массового внедрения прошло около 80 лет.

Почему литий-ионные аккумуляторы оказались настолько успешными? Это, в большей степени, связано с высокой плотностью хранения энергии, которая до них не была доступна, сравнительно невысокой стоимостью производства, а также отсутствием пресловутого эффекта памяти, которым грешили предшественники.

Литий-ионные аккумуляторы изготовлены из пары положительно и отрицательно заряженных электродов, которые разделены жидким химическим электролитом: этиленкарбонатом или диэтилкарбонатом. Из-за химического состава подобные элементы питания обычно выполнены в форме одного параллелепипеда или нескольких, соединенных между собой. Обычно у них твердый пластиковый корпус.

Эффективная емкость литий-ионных аккумуляторов, а вместе с ним и мощность отдачи, уменьшаются с каждым циклом перезарядки — да что там говорить, они вообще могут разряжаться сами по себе. Более того, пусть это случается не так часто, химический электролит может стать нестабильным при экстремальных температурах или разгерметизации — это может привести к возгоранию и даже взрыву. Чтобы избежать негативных последствий, в конструкции литий-ионных аккумуляторов часто используют специальные цифровые контроллеры — они, в том числе, защищают их от перегрева, опуская мощность.

Как работают литий-полимерные аккумуляторы в смартфонах?

Технология производства литий-полимерных аккумуляторов заметно более новая, чем литий-ионных, — ее разработали в 70-х годах, и в смартфоны она вообще попала сравнительно недавно. К примеру, Samsung начали массово использовать ее лишь с выходом Galaxy S20, но в Galaxy Note 20 вернулись к литий-ионным элементам питания.

Литий-полимерные аккумуляторы используют аналогичные положительно и отрицательно заряженные электроды, но в качестве электролита не применяется жидкость: ее заменяет пористый химический или гелеобразный электролит (ранее также использовалось сухое твердое вещество, но от него в итоге отказались). В результате подобные элементы питания могут быть выполнены в куда более широком числе вариантов с точки зрения формы — не только в виде одного параллелепипеда или нескольких, соединенных между собой. Более того, конструкция литий-полимерных аккумуляторов отличается большей надежностью и безопасностью — вероятность утечки и возгорания в данном случае заметно ниже, поэтому элементы могут быть упакованы не только в твердый корпус.

Конечно, у данной технологии также есть заметные недостатки. Начать нужно с того, что затраты на производство при использовании другого типа электролита значительно увеличивается. Он также сокращает жизненный цикл аккумулятора и не дает ему возможность накапливать так же много энергии.

💡 Интересный факт: некоторые производители называют литий-полимерными аккумуляторами литий-ионные полимерные аккумуляторы. В этом случае имеется ввиду корпус — вместо традиционного для литий-ионных элементов питания твердого пластикового в данном случае используется мягкий полимерный.

Срок службы литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов

Как литий-ионные, так и литий-полимерные аккумуляторы подвержены интенсивному старению. Они обеспечивают около девятисот полных циклов зарядки, после чего становятся непригодными. При этом не имеет значение, насколько активной была эксплуатация устройства. Если батарею длительное время вообще не использовали, сокращение ресурса, тем не менее, будет иметь место.

Уже через год емкости становятся существенно уменьшенными в ресурсе, а через два или три года можно констатировать, что батарея и вовсе вышла из строя. Это общий недостаток литиевых аккумуляторов, и выбирать более долговечную модель стоит только в зависимости от репутации производителя и отзывов о конкретных моделях.

Дополнительная защита литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов

Если рассматривать вопрос о том, в чем разница Li-ion от Li-Pol аккумуляторов, стоит обратить внимание на встроенные защитные системы. Модели, работающие на полимерно-литиевой основе, требуют использования дополнительных функций внутренней защиты. Для них характерны случаи перегорания из-за перегрева элементов. К таким последствиям приводит внутреннее напряжение различных рабочих участков.

Для того, чтобы обезопасить устройство от несанкционированных перезарядов, от перегрева деталей и перегорания, в конструкции использована специальная стабилизирующая система и механизм ограничения тока. Это повышает безопасность литий-полимерных моделей, но ощутимо повышает стоимость аккумулятора за счет использования защитных элементов.

Частично в конструкции задействованы электролитические компоненты в гелевой формации. Комбинированные элементы питания используются во многих портативных приборах. Они крайне чувствительны к температурным перепадам и требуют строгого соблюдения правил эксплуатации. Аккумулятор на полимерной базе можно использовать в устройствах с нагревом в диапазоне 60-100 градусов.

Производители заключают внутреннюю часть в корпус с теплоизолирующими свойствами – использовать такие аккумуляторы удобно в жарком климате. В условиях, где температурный режим не соответствует требованиям эксплуатации, элементы с полимерной составляющей применяются как резервные.

Особенности зарядки литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов

Чтобы пополнить заряд литий-полимерного аккумулятора, потребуется не менее трех часов зарядки. При этом блок не нагревается. Предусмотрено два этапа наполнения. Первый протекает до установки пикового режима, который поддерживается до тех пор, пока зарядка не достигнет 70%. При нормальном режиме напряжения набирается остаточный заряд 30%. Подзарядку нужно выполнять по строгому графику, дожидаясь полной разрядки и проводя процедуру через каждые 500 часов использования устройства. Таким режимом поддерживается постоянный объем наполнения.

Подключать аккумулятор необходимо только к стабильно работающей электросети, без перепадов напряжения и помех. Эксплуатировать следует только соответствующие зарядные приборы, совпадающие по заявленным в описании характеристикам. Важный момент: в процессе зарядки все разъемы должны быть подключены корректно, нельзя допускать размыкания. Элементы Li-Pol крайне чувствительны ко всевозможным перегрузкам, превышенным показателям тока, механическим ударам и переохлаждению. Следует следить за герметичностью твердотельных элементов.

Элементы Li-ion заряжаются примерно по таким же принципам, как и полимерные, но являются более чувствительными и менее надежными в отношении безопасности. Время зарядки у обоих типов примерно одинаково, но полимерный элемент «капризнее» к качеству точки энергоснабжения.

Что лучше выбрать литий-ионный и литий-полимерный аккумулятор?

Ответ на этот вопрос зависит от того, где и в каких условиях будет применяться выбираемый источник тока. По основным характеристикам Li-ion и Li-Pol элементы питания схожи. Из ячеек типа Li-ion собираются аккумуляторные батареи разных геометрических параметров и технических характеристик. Использовать их допустимо в промежутке от -20 до +60 °С, но при пограничных значениях температуры происходит более быстрое старение.

Li-Pol аккумуляторы производятся всевозможной геометрии, отличаются значительной плотностью энергии и предельно безопасны. Они наиболее востребованы в условиях, когда требуется компактный и надежный источник тока. Промежуток рабочих температур у выпускаемых сейчас Li-Pol батарей идентичен температурному диапазону Li-ion.

Между обоими видами батарей существует не столь большая разница, которая позволила бы сделать однозначный выбор в пользу того, или иного элемента питания. Выбор необходимого вида АКБ необходимо осуществлять в зависимости от каждого конкретного случая.

При необходимости использования компактных и неприхотливых батарей лучше остановить свой выбор на литий-полимерном варианте.

При необходимости обеспечить более долгий срок эксплуатации и получить более мощный разрядный ток, лучше использовать литий-ионный источник питания. Этот вариант является более приемлемым и при желании сэкономить средства на приобретении аккумулятора.

Оба вида аккумуляторов имеют отличные электрические характеристики, во много раз лучшие, чем у солевых, щелочных и металлогидридных элементов питания. При правильных условиях эксплуатации, недопущении сильного разряда и перезаряда, оба вида АКБ могут прослужить несколько лет, отдавая высокий ток и напряжение.

Заключение

Литий-ионные источники тока широко распространены в различных сферах. Они используются для оснащения цифровой электроники, персонального электрического транспорта, роботов, аккумуляторных инструментов, инвалидных колясок и множества других устройств. Они имеют стандартизированные типоразмеры, легко подбираются под необходимые параметры и хорошо знакомы потребителям. Мощные АКБ успешно применяются для устройств, нуждающихся в высоком краткосрочном потреблении тока.

Литий-полимерные накопители энергии позволяют получить нужную емкость при меньших размерах и массе источника тока, поэтому востребованы в портативных устройствах, квадрокоптерах, игрушках, ружьях для страйкбола. Основные отличия аккумуляторов типа Li-polymer заключаются в более высокой цене, большой вариативности форм и меньшем количестве внутренних нагрузок.

На практике аккумуляторы обоих типов имеют схожие характеристики, поэтому предпочтения по выбору зависят преимущественно от сферы использования. Кроме типа АКБ и вещества катода, на характеристики источника тока влияет качество применяемого сырья и технология производства.

 

Источники:

  • https://virtustec.ru/news/chto-vybrat-litij-ionnyj-ili-litij-polimernyj-akkumulyator.html
  • https://electric-wheels.ru/batterie/chem-otlichaetsya-li-ion-akkumulyator-ot-li-pol
  • https://trashbox.ru/link/li-ion-and-li-pol-batteries
  • https://istochnikipitaniy.ru/stati/li-ion-ili-li-polymer.html
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]