Литий-полимерный аккумулятор: как правильно заряжать

Современная техника и электроника беспрерывно совершенствуется – устройства становятся все легче, компактнее, долговечнее, безопаснее и при этом мощнее. Соответственно растут требования к перезаряжаемым источникам тока.

На смену батареям на основе никеля и кадмия пришли литий-полимерные аккумуляторы. Источники питания нового типа быстро завоевывают рынок – ими комплектуют портативную цифровую технику, аккумуляторный строительный инструмент, радиоуправляемые игрушки и модели летательных аппаратов, электровелосипеды и электроскутеры.

Li-polymer аккумулятор: что это

Легчайший металл литий обладает наибольшей способностью отдавать электроны и характеризуется значительной плотностью энергии. Эти свойства натолкнули на создание АКБ с электродами из металлического лития. Но такие батареи быстро выходили из строя и были небезопасны в эксплуатации.

Лучших результатов добились разработчики аккумуляторов, предложившие заменить металлический литий ионами Li. Это позволило повысить плотность электролита и емкость батарей. Модернизированные источники питания рассчитаны на использование при более высоком напряжении, отличаются минимальным саморазрядом. Литий-ионные аккумуляторы просты в обслуживании благодаря отсутствию эффекта памяти. Это означает, что нет необходимости жестко регламентировать режим зарядки с целью избежать обратимой потери емкости источника питания.

Однако литий-ионные батареи имеют ряд недостатков, главный из которых – низкий уровень безопасности. При разработке АКБ нового типа на основе лития обычный жидкий электролит заменили полимерной пленкой толщиной 1 мм, пропитанной гелеобразным литий-проводящим электролитом. Пленочный элемент не мешает обмену заряженными частицами, и при этом не проводит электрический ток. Это позволило избавиться от сепаратора (пористой перегородки между электродами), за счет чего значительно уменьшились габариты и вес аккумулятора.

За счет использования гелеобразного электролита повышена безопасность – Li-pol аккумуляторы не воспламеняются. Применение пленочных элементов также дало возможность создавать легкие и компактные АКБ разнообразных форм и размеров. Это в первую очередь оценили производители портативной техники и электроники.

Однако литий-полимерные батареи обладают невысокой электропроводностью. Увеличить ее можно путем нагрева, но перегрев АКБ опасен, поэтому в таких случаях должна присутствовать система охлаждения. Еще один недостаток li-pol аккумуляторов – высокий уровень сопротивления. Это усложняет получение тока требуемой величины.

Li-polymer или li-ion: что лучше

При выборе между литий-ионной и литий-полимерной АКБ принимают во внимание специфику использования (назначение устройства, требующего электропитания), соотношение емкости и веса, уровень безопасности, температурный режим эксплуатации. Также учитывается стоимость источника тока.

Литий-ионная батарея состоит из следующих элементов:

• медный анод с графитовым покрытием;
• катодная основа из алюминиевой фольги с покрытием из оксида лития;
• пористый сепаратор, разделяющий электроды (пропитан электролитом);
• жидкий электролит (органическая соль лития).

При зарядке аккумулятора положительные электроны из оксида лития перемещаются через источник питания и накапливаются в слоях графита. Одновременно происходит перемещение положительно заряженных ионов лития, которые проходят через электролит и также накапливаются в графите. Батарея оказывается заряженной. Если к ней подключить нагрузку, начнется обратный процесс. Ионы вернутся на место через электролит, а электроны – через подключенное устройство, обеспечивая электропитание.

Литий-ионная батарея нередко оснащается электронным контроллером для регулировки мощности и потока разряда. Это значительно снижает риск перегрева и взрыва батареи, но удорожает изделие.

Усовершенствованный литий-полимерный аккумулятор работает по тому же принципу, что и литий-ионная батарея. Разница заключается в замене сепаратора с жидким электролитом на тонкие полимерные пластинки с электролитом в виде геля. В результате батарея стала гибкой. Вместо жесткого внешнего корпуса обычно используется полимерно-алюминиевая оболочка. За счет этого удалось снизить вес батареи на 20% и производить источники питания практически любой формы.

Li-Pol аккумуляторы нуждаются в защите от перегрева и перезаряда. По этой причине в конструкцию батареи включены механизм ограничения тока и стабилизирующая система. Из-за защитных элементов повышается стоимость устройств.

Оба вида АКБ на основе лития имеют свои достоинства и недостатки. Сравнение основных параметров поможет выбрать оптимальный вариант под конкретные потребности.

В список достоинств Li-ion АКБ входит:

1. Небольшой саморазряд – до 6% в первый месяц, затем ниже. В течение месяца защитный контур расходует около 3% заряда.
2. Высокие показатели плотности энергии и разрядных токов.
3. Более высокое напряжении ячеек (3,6 В) в сравнении с элементами на основе NiMH и NiCd.
4. Отсутствие «эффекта памяти».
5. Значительный эксплуатационный ресурс.
6. Компактность и небольшой вес.
7. Отсутствие особых требований по обслуживания (исключая правила подзарядки).

Перечень недостатков литий-ионных аккумуляторов включает:

• необходимость интеграции защитной платы для безопасной эксплуатации АКБ;
• значительное падение емкости при низких температурах – на морозе батарея не может полноценно функционировать;
• относительно высокая цена, если сравнивать с классическими АКБ на основе никеля.

К плюсам Li-polymer аккумуляторов относят:

1. Сочетание небольшого веса и компактности с высокой емкостью.
2. Возможность создавать АКБ произвольных размеров и форм, включая ультратонкие.
3. Высокую скорость подзарядки.
4. Отсутствие «эффекта памяти».
5. Безопасность в эксплуатации и высокую надежность.
6. Невысокие показатели саморазряда – до 5% в месяц.

Литий-полимерные АКБ не лишены и недостатков:

• нуждаются в соблюдении особого режима подзарядки;
• требуют балансировки ячеек;
• чувствительны к низким температурам, перезаряду, глубокому разряду;
• имеют высокую стоимость.

У аккумуляторов на основе лития конечное число полных циклов зарядки – далее они становятся непригодными к использованию. Важно знать, что Li-ion и Li-Pol склонны постепенно стареть – рабочий ресурс батареи плавно снижается, даже если она лежит без использования. Через 2-3 года АКБ может из строя, даже если ей пользовались от случая к случаю.

Li-ion и Li-Pol аккумуляторы также схожи по основным рабочим параметрам, в том числе по температурному диапазону эксплуатации. Использовать оба вида АКБ можно при температуре от -20°С до +60°С. Однако литий-ионный элемент стареет ускоренными темпами, когда работает при пограничных значениях.

Рекомендуется остановить свой выбор на Li-Pol, если предъявляются повышенные требования к компактности, надежности и безопасности элемента питания.

Как правильно зарядить Li-Pol АКБ в первый раз

Li-Pol батареи считают капризными – они требуют внимательного обращения, соблюдения регламента подзарядки, особенно если речь идет о зарядке нового аккумулятора.

В продажу литий-полимерные аккумуляторы поступают в законсервированном виде, с зарядом около 30-40%. Производители стараются свести к минимуму потерю емкости батареи по пути к покупателю, и потому добавляют специальный состав, тормозящий действие электролита.

По этой причине перед использованием нового устройства литий-полимерный элемент питания необходимо расконсервировать. Часто эту процедуру именуют термином «раскачать батарею».

Первую зарядку АКБ выполняют по следующей схеме:

• эксплуатируют устройство до тех пор, пока батарея не разрядится;
• заряжают до 100%;
• повторяют цикл 2-3 раза.

Раскачка деактивирует химические вещества, введенные для консервации электролита. При дальнейшей эксплуатации не рекомендуется постоянно разряжать и заряжать АКБ до предела, это сокращает ее рабочий ресурс. Пограничные состояния, когда ионы лития максимально внедрены в кристаллическую решетку анода или катода, вредны батарее. Срок службы сокращается, даже если она непродолжительное время находится в 100% заряженном или разряженном состоянии.

Правила эксплуатации литий-полимерных аккумуляторов

Li-Pol АКБ прослужит долго, если соблюдать ряд простых правил. Важно понимать, что несоблюдение рекомендаций может причинить непоправимый вред батарее.

• Защищайте литий-полимерный элемент питания от перегрева, переохлаждения, перепадов температур. При сильном нагреве батарея может воспламениться, при низких температурах замедляются химические реакции и АКБ перестает работать. Чтобы пользоваться телефоном зимой на улице, держите его во внутреннем кармане одежды. При совершении звонка он не успеет остыть даже в мороз.

• Сохраняйте баланс энергии — поддерживайте заряд литий-полимерного аккумулятора в диапазоне 10-90%. Емкость АКБ при этом немного теряется (емкостью называют количество запасенной энергии), но зато вы получает выигрыш в виде максимально продленного срока службы батареи.

• Раз в 3-6 месяцев полезно проводить калибровку – разрядите батарею до самоотключения устройства, а затем зарядите до 100%. В отличие от никелевых батарей, литий-полимерные не имеют эффекта памяти и не нуждаются в тренировке зарядом-разрядом.

• В обычном режиме эксплуатации гаджета не допускайте его отключения – ставьте на подзарядку, увидев предупреждающий сигнал. Самоотключение в полностью разряженном состоянии сокращает емкость и работоспособность батареи.

• Проводите подзарядку при каждом удобном случае, даже если АКБ заряжена до 60-70%. Но внимательно следите за уровнем заряда при коротких подпитках, он не должен дойти до 100%.

• Идеальный диапазон заряда Li-Pol батареи составляет 30-80%. Если его постоянно поддерживать, аккумулятор будет максимально защищен от износа и прослужит предельно долго.

• Не оставляйте заряженный АКБ включенным в розетку. Встроенный контроллер защищает батарею от перезарядки, но не спасает от перегрева – при контакте с током химические реакции в электролите продолжаются. Это оборачивается резким сокращением срока службы элемента питания и даже может привести к взрыву.

• Используйте только оригинальное зарядное устройство, которое входит в комплект поставки гаджета. Такой блок питания откалиброван под особенности АКБ данной модели и обеспечивает оптимальный режим зарядки. Если «родное» ЗУ вышло из строя, его следует заменить зарядным устройством, сертифицированным производителем.

• Перед длительным хранением гаджета зарядите батарею до 50-60%. Устройство следует отключить. При включении заряд окажется ниже – в неактивном состоянии Li-Pol аккумулятор продолжает работать и стареть.

• Не заряжайте гаджет, если АКБ нагрелся при активной работе устройства. Контакт с током повысит температуру батареи, что легко может привести к взрыву или возгоранию.

• Старайтесь снизить нагрузку на устройство, если эксплуатируете его во время зарядки. К примеру, можно отключить Bluetooth, GPS, соединение с интернетом, ограничить прием смс и звонков. В идеале на зарядку надо ставить выключенный гаджет.

• АКБ следует беречь от механических повреждений, ударов, контактов с металлическими предметами.

Зарядное устройство для литий полимерных аккумуляторов

Для зарядки LiPo аккумуляторов используются специальные зарядные устройства, универсальные ЗУ для этой задачи не подходят. Это связано с тем, что процесс зарядки имеет две фазы:

1. На первой стадии растет напряжение на всех банках батареи, пока не достигнет 4,2 В. К этому моменту АКБ успевает зарядиться на 95%.
2. На второй стадии ток снижается, чтобы избежать перезарядки. Кроме того, при напряжении свыше 4,25 В появляется риск самовозгорания батареи.

Важно, чтобы банки разряжались и разряжались равномерно. Напряжение на каждой из банок не должно падать ниже 3 В (это случается при полной разрядке батареи). В противном случае АКБ может вздуться, необратимо потеряв около 50% емкости.

Для щадящей подпитки АКБ с контролем уровня напряжения каждой банки подходит зарядное устройство со встроенным балансиром. Альтернативой служит использование отдельного балансира при подключении ЗУ к сети.

Хранение и утилизация

Соблюдение правил хранения расконсервированного («раскачанного») литий-полимерного аккумулятора снизит темпы его старения. Рекомендуется:

• хранить батарею отдельно от устройства в сухом помещении, при комнатной температуре, вне досягаемости прямых солнечных лучей, вдали от источников тепла;
• зарядить батарею перед хранением до 40-60%;
• после длительного хранения осмотреть батарею – вздутые и поврежденные элементы использовать нельзя.

Полимерные АКБ не содержат вещества, способные нанести вред окружающей среде. Но компоненты батареи устойчивы к биологическому разложению, поэтому вышедшие из строя аккумуляторы положено сдавать на утилизацию в соответствующие организации.

Заключение

Достоинства Li-Pol АКБ вполне компенсируют некоторые недостатки. Если соблюдать рекомендации, использовать «родное» ЗУ и всегда иметь под рукой розетку, пауэр-банк, автомобиль с прикуривателем или другой источник тока для кратковременных подзарядок, батарея прослужит верой и правдой весь эксплуатационный срок, обозначенный производителем.