Литиевые аккумуляторы вошли в нашу жизнь не так давно, но уже существенно потеснили все остальные типы источников тока. В этой статье мы поговорим об отдельной группе литиевых батарей и выясним, как устроен литий-полимерный аккумулятор, как его правильно заряжать и эксплуатировать.
Устройство литий-полимерных аккумуляторов
Сразу оговоримся, что литий-полимерный (Li-Pol) аккумулятор – это одна из разновидностей обычных литий-ионных (Li-ion), а не отдельный вид. Они схожи по конструкции и принципу работы, а отличаются только типом электролита и, естественно, некоторыми характеристиками. А теперь посмотрим, как устроена и как работает литий-полимерная батарея.
Конструктивно Li-pol аккумулятор представляет собой два электрода – катод и анод. Катод выполнен из алюминиевой фольги с напылением того или иного соединения лития (обычно кобальт лития). Анод медный, с напылением графита. Между электродами расположена специальная полимерная ионопроводящая пленка. Именно в этом главное отличие Li-pol элемента от Li-ion, в котором вместо пленки установлен пористый сепаратор, пропитанный электролитом.
Поскольку сама пленка плохо проводит ионы, внутреннее сопротивление литий-ионного аккумулятора высоко, и он не может отдавать большие токи. Чтобы снизить сопротивление, в элемент добавляется безводный электролит в виде геля. Это позволяет увеличить разрядный ток до 1-3С, где С – емкость аккумулятора.
Важно! Существуют специальные Li-pol аккумуляторы и батареи, способные развивать ток до 80С и более. Их можно встретить в авиамоделях, геликоптерах, беспилотных самолетах, некотором ручном электроинструменте и даже в электротранспорте.
Пакет с электродами, полимерным сепаратором и гелем уложен в изолированный изнутри корпус из фольги или нейтральной полимерной пленки, что позволило не только увеличить соотношение электрическая емкость/массогабариты по сравнению с литий-ионными элементами, но и сделать аккумулятор исключительно компактным, тонким и более безопасным (об этом ниже). В современных гаджетах можно найти аккумуляторы этого типа толщиной до 1 мм самой причудливой конфигурации.
Элементы этого типа не выносят перезарядки и глубокого разряда – они в этом плане даже капризнее, чем литий-ионные. Поэтому практически все литий-полимерные аккумуляторы оснащаются контроллерами заряда/разряда, отключающими аккумулятор в критических ситуациях.
И кратко о принципе работы Li-pol источника тока. Сразу после изготовления в нем нет ни капли энергии, в отличие, скажем, от свинцово-кислотных батарей. Для того чтобы использовать такой элемент, его необходимо сначала зарядить. Делают это, конечно, на заводе-изготовителе. В процессе зарядки положительно заряженные ионы лития покидают катод и через сепаратор проходят к аноду, где встраиваются в кристаллическую решетку графита. Как только места для ионов на аноде не останется, зарядку можно считать оконченной.
Когда аккумулятор питает нагрузку, происходит обратный процесс – ионы покидают графит и переходят на анод, восстанавливая исходное соединение лития. Первоначальная зарядка и формовка элемента производится, как было сказано выше, изготовителем. Потребителю, то есть нам, остается только подзаряжать аккумулятор по необходимости.
Полезно! Все процессы, происходящие внутри Li-pol аналогичны Li-ion, поэтому более подробно о принципе работы этого источника тока можно прочесть в статье «Принцип работы литий-ионных аккумуляторов»
Где используются
В настоящее время Li-pol аккумуляторы используются в большинстве портативных гаджетов. Их можно встретить в телефонах, смартфонах, планшетных ПК, фитнес-трекерах, наручных часах и даже ноутбуках.
Источники с увеличенным разрядным током используются там, где очень важны массогабаритные показатели при большой емкости. Они устанавливаются в дроны, авиамодели и даже в настоящую пилотируемую технику – геликоптеры и наземный транспорт.
К примеру, двухместный мультикоптер E-Volo VC200 весом 450 кг (с пилотами) развивает скорость до 100 км/ч и поднимается на высоту до 2 000 м. При этом его автономность составляет 45 минут. Питается он от Li-pol батарей, причем имеет в своем составе резервную для аварийной посадки.
Испытания электрического мультикоптера E-Volo VC200
Основные характеристики
Как мы уже выяснили, характеристики литий-полимерных элементов во многом схожи с литий-ионными. Они работают по одному принципу, имеют примерно одинаковый срок службы и количество циклов заряд/разряд. Одинаково боятся перезарядки и глубокого разряда и не имеют эффекта памяти. Но различия у Li-pol все же есть. Вот основные из них:
- более высокая энергоемкость при тех же габаритах;
- маленькая вероятность возгорания;
- полное отсутствие взрывоопасности;
- малая толщина и практически любой форм-фактор;
- диапазон рабочих температур несколько ниже (-20 … +40 против -20 … +60 градусов Цельсия);
- меньший перепад напряжения при разряде (4.2-3.0 В против 4.2-2.5 В у Li-ion);
- более высокая стоимость.
Важно! Главным преимуществом, конечно, является повышенная безопасность. Даже при неправильной эксплуатации поджечь, а тем более взорвать Li-pol элемент очень сложно.
Как правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор
Зарядка Li-pol аккумуляторов практически ничем не отличается от зарядки Li-Ion и обычно проводится в два этапа:
- Начальная зарядка. Проводится стабилизированным током 0.5-0.3С до момента, пока напряжение на клеммах элемента не поднимется до величины 4.1 В. При этом батарея будет заряжена примерно на 80-85%.
- Окончательная зарядка. Проводится стабилизированным напряжением величиной 4.2 В. Заряд батареи продолжают до тех пор, пока ток заряда не упадет до величины 0.03С (3% от емкости).
В принципе, при необходимости второй этап можно исключить, поскольку он занимает довольно много (до 2-3 часов) времени, а добавляет всего 15-20% от емкости. При зарядке от сети определить начало второго этапа несложно – как только он начнется, ЗУ остынет, что легко определить на ощупь. Да и индикатор уровня заряда в современных смартфонах никто не отменял.
Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопросВажно! Как и Li-ion, Li-pol элементы допускают заряд током 1С, но этим лучше не злоупотреблять, а использовать такой режим, когда времени на «медленную» зарядку нет. Это продлит срок службы батареи.
Правила эксплуатации
А теперь немного о правилах эксплуатации литий-полимерных аккумуляторах. Их немного, но соблюдать их стоит – это продлит жизнь элементу питания, который, кстати, стоит недешево.
Не допускаем глубокого разряда. Не стоит ждать, пока смартфон аварийно выключится из-за низкого заряда батарейки. Получили сообщение о низком уровне заряда – подключили ЗУ. А еще лучше подзаряжаем гаджет при любом удобном случае независимо от состояния батарейки.
При аварийном отключении сразу же заряжаем. Если смартфон аварийно отключился, то это не значит, что он потребляет энергию. Потребляет, хоть и совсем немного. Но если мы кинем его в стол эдак на недельку, то доведем батарею до критического разряда.
Не заряжаем при отрицательных температурах. Хотя литиевые аккумуляторы и могут работать при «минусе», заряжать их при такой температуре нельзя. Это существенно снизит срок службы батарейки, да и зарядить ее как следует все равно не удастся.
Используем только качественные ЗУ. Не стоит использовать для зарядки гаджета ЗУ производства «Нонейм», купленными на рынке за копейки. Даже если сейчас у них на выходе нормальное напряжение, оно может «скакнуть» в любой момент. Оптимальный вариант – штатное зарядное устройство.
Не слушаем глупых советов. Очень часто можно услышать мнение, что Li-ion батареи нужно заряжать до 60%, а разряжать до 40%. Это неудобно, а толку никакого не даст и жизнь источнику тока не продлит.
Не вымораживаем гаджет. Литиевые элементы могут работать при «минусе», но чувствуют себя на морозе неважно. Не надо часами торчать в чате при -15. Достали телефон, позвонили и убрали в теплый карман.
Может ли взорваться или загореться
Одна из особенностей литий-полимерных элементов, как было отмечено выше, их безопасность. В принципе, при повреждении такой аккумулятор, если он как следует заряжен, может загореться. Но обычно сменные батареи выполняются в довольно жестком алюминиевом корпусе. Для того чтобы их повредить, надо постараться. К примеру, специально ударить чем-то тяжелым или проткнуть. Элементы в мягком корпусе повредить проще, но, как правило, к ним нет доступа обычному потребителю – они меняются в сервисных центрах.
Замыкания, способные вызвать возгорание из-за конструктивных особенностей батареи при неправильной эксплуатации, тоже исключительно редки. Обычно они вызываются избыточным давлением, но, поскольку корпус мягкий, он «амортизирует» раздувается. Причем мягкий полимерный корпус в состоянии увеличить свой объем в три и более раза.
В любом случае разрыв мягкого корпуса обычно происходит раньше, чем давление достигает величины, способной вызвать замыкание. Да и полимерный сепаратор продавить очень сложно, в отличие от пористого в Li-ion.
Впрочем, единичные случаи возгорания все же есть, но они крайне редки. Обычно это происходит при попытке зарядить уже вздувшийся аккумулятор или из-за сильного превышения срока эксплуатации. Поэтому, если батарея старая и отработала свое, лучше ее заменить, а не выжимать из нее последние проценты. Это не только может вызвать проблемы, но и просто неудобно.
Важно! Конечно, увеличиваясь в объеме, полимерный аккумулятор может повредить гаджет – сорвать крышку, раздавить дисплей и т. д., но, во всяком случае, он не устроит пожар и не травмирует человека.
Что касается взрыва, то да, батарею может разорвать при вздутии, но это будет не взрыв осколочной гранаты, а, скорее, безобидный хлопок. Последний, впрочем, тоже может повредить телефон, но он не нанесет вреда людям.
Особенности и советы
А теперь подведем итоги и поговорим об особенностях эксплуатации литий-полимерных аккумуляторов. В принципе, правила эксплуатации и обслуживания полимерных аккумуляторов практически не отличаются от правил использования литий-ионных. Даже заряжать их можно одним и тем же зарядным устройством. Это и неудивительно – ведь оба они работают по одному принципу и имеют сходную конструкцию. Все рекомендации уже описаны в разделе «Правила эксплуатации» (см. выше), добавить к вышесказанному можно немного.
Li-pol элемент не имеет эффекта памяти, поэтому «тренировать» его многократным полным разрядом с полным зарядом не только бессмысленно, но и вредно. Он еще больше потеряет емкость.
В процессе эксплуатации имеет смысл периодически (раз в 3-4 месяца) делать калибровку гаджета (не аккумулятора!), чтобы он мог правильно оценивать степень заряда своей батареи. Да, она проводится путем полной разрядки и полной зарядки, но никакого отношения к «тренировке» не имеет.
Время от времени проводите калибровку смартфона!
Если мы собираемся хранить батарейку отдельно от гаджета, то не надо заряжать ее на все 100%. Оптимальная степень заряда для хранения – 40-50% от полной емкости.
Не стоит хранить батарейку в холодильнике (а то и в морозилке!), как делают некоторые. Такой прием, напротив, сократит срок хранения, и, возможно, выведет элемент из строя.
Литиевые батарейки имеют свойство стареть, даже если они просто хранятся. Поэтому не стоит покупать элементы этого типа впрок. Да и постоянно выключать телефон, чтобы реже его заряжать, смысла нет. Все равно аккумулятор не прослужит дольше отведенного ему срока.
Как правильно зарядить полимерный аккумулятор смартфона в первый раз после покупки
После покупки никаких особых действий производить с новой батареей не нужно. Ей не нужна тренировка, смазка, чистка. Просто вставляем аккумулятор в гаджет и заряжаем обычным образом, поскольку производитель заряжает ее только наполовину. Да и саморазряд литиевые батареи имеют – со временем сами разряжаются, даже лежа в упаковке на складе.
Более подробно мы описали это в другой статье.
Зарядка своими руками
Если источник питания идет в комплекте со смартфоном, телефоном или планшетом, то с зарядкой литий-полимерных аккумуляторов все понятно. Подключил штатное зарядное устройство и зарядил. Но как правильно зарядить батарею, если она используется отдельно от того же телефона, скажем, в самоделке?
Ведь встроенный контроллер следит лишь за величиной напряжения на выходе батареи, но не регулирует ток заряда. Контролирует – да (при большом токе батарейка отключается), но не регулирует. Проще всего решить вопрос, купив за 40-50 рублей специальную плату зарядки. К примеру, такую:
Если вы дружите с паяльником, то собрать зарядное устройство на его базе несложно. Схема подключения модуля к элементу будет выглядеть следующим образом:
Схема зарядного устройства для литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов на базе модуля TP4056
Схема довольно проста и особых пояснений не требует. Через USB порт или контакты IN+ и IN- (как удобнее) подаем 5 В от сетевого адаптера или порта USB ПК, батарею и нагрузку подключаем параллельно к контактам Bat+ и Bat-. Номинал токозадающего резистора выбирается в зависимости от того, какой зарядный ток нам нужен. Таблица зависимости тока от номинала указана в прилагающейся таблице. Изначально модуль настроен на ток 1 А.
Пока идет процесс зарядки, горит красный светодиод. Как только зарядка закончится, загорается зеленый светодиод, а сама батарейка отключается от зарядного устройства. Благодаря такому алгоритму мы никогда не перезарядим аккумулятор, даже если забудем снять его с зарядки.
Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопросПолезно! Есть более простое решение. Существуют готовые зарядные устройства для зарядки аккумуляторов мобильных телефонов. В народе их называют «лягушка». Благодаря универсальным зажимам в это ЗУ можно вставить батарейку практически любого форм-фактора в алюминиевом корпусе.
Вот мы и узнали, что собой представляет литий-полимерный аккумулятор и чем он отличается от литий-ионного. Ну а какой из них выбрать, решать вам: преимущества и недостатки каждого из них вы теперь знаете.
