Літій-полімерні акумулятори

Літій-полімерні (LiPo) акумулятори - це літій-іонні акумулятори з технологією твердого електроліту, що робить їх тоншими і легшими, ніж їхні традиційні аналоги.

Оскільки їх можна заряджати від батарейок, ці конденсатори є ідеальним рішенням для мобільних телефонів та іншого обладнання, що працює від батарейок. Крім того, ентузіасти хобі-електроніки використовують їх у дистанційно керованих дронах.

Щільність енергії

Вимірювання щільності енергії описує здатність акумулятора зберігати однакову кількість електричного заряду на певній площі по відношенню до об'єму. Її значення можна розрахувати за термодинамічною формулою: e = DG / ma, де DG - зміна енергії Гіббса окисно-відновної реакції, а ma - маса всіх активних речовин в елементі. Щільність енергії є одним з показників продуктивності акумулятора і оцінки терміну його служби; однак при виборі акумулятора для конкретних застосувань необхідно враховувати й інші міркування, такі як стабільність циклу і здатність до розряду.

Літій-полімерні акумулятори значно покращили свою енергетичну щільність завдяки використанню твердих полімерних електролітів, зокрема, виготовлених з твердих полімерів. Такий підхід запобігає утворенню літієвих дендритів, одночасно підвищуючи механічну міцність електродів. Крім того, такий електроліт покращує свою іонну провідність, що дозволяє швидше заряджати/розряджати батареї.

Заряджання відбувається через зовнішній ланцюг, який подає перенапругу на батарею, переміщуючи електрони від позитивного електрода до негативного за допомогою інтеркаляції та іонів літію, що рухаються між обома полюсами батареї. Це забезпечує батарею хімічним джерелом енергії, яку вона зберігає у вигляді заряду в матеріалах електродів.

Високий рівень реакційної здатності літію вимагає використання неорганічного електроліту, такого як етиленкарбонат або пропіленкарбонат з комплексами літію, щоб забезпечити безпечну роботу електродного матеріалу, який для належного функціонування потребує покриття високопровідними шарами.

Твердотільні електроліти мають нижчий питомий опір, ніж рідкий етиленкарбонат, і можуть витримувати вищі температури, забезпечуючи потенціал для значного збільшення щільності енергії в літієвих батареях, і зараз досліджуються кількома компаніями.

Іншим можливим рішенням є метало-повітряні батареї, що використовують металеву фольгу як анод і повітря як катод. Цей тип акумуляторів має вищу теоретичну щільність енергії, будучи при цьому більш екологічним, ніж традиційні літій-іонні елементи; швидше заряджається, довше служить і має меншу циклічну ємність, що потенційно може пошкодити його елементи при екстремальних показниках використання.

Щільність потужності

Літій-полімерні акумулятори - це акумуляторні батареї, які використовують тверді полімерні електроліти замість рідких для кращої щільності енергії та гнучкості. Підвищена щільність енергії дозволяє використовувати їх у пристроях з унікальними форм-факторами, таких як дрони, радіокеровані моделі та носимі пристрої, де зменшення ваги є обов'язковою умовою. Вони часто використовуються для живлення цих гаджетів.

Літій-полімерні батареї зазвичай мають щільність енергії від 100 до 200 ват-годин на кілограм, що відіграє вирішальну роль у визначенні кількості електроенергії, яку можна згенерувати при заданих вагових та об'ємних параметрах. Зі зменшенням щільності енергії зменшується і розмір акумулятора, що може стати проблемою для певних застосувань.

Літій-полімерні батареї використовують електроліт, що складається з іонопровідних твердих полімерів, таких як оксид поліетилену (PEO), високомолекулярний полі(триметиленкарбонат) (PTMC) і оксид поліпропілену (PPO). Крім того, LiTFSI або Li-NMC часто додають як розчин солі без розчинника для подальшого зниження в'язкості рідких розчинів електролітів.

При активації батареї працюють, переміщуючи іони від анода до катода за допомогою струму, що створює електрохімічну окислювально-відновну реакцію, яка вивільняє електрони, що осідають на катоді і, таким чином, стають відновленими порівняно з їх початковим станом окисленого матеріалу. Коли енергія цих електронів рухається по провідниках у зовнішні ланцюги, вони можуть генерувати електроенергію, яка живить його.

Літій-полімерні акумулятори пропонують більшу універсальність порівняно з їхніми традиційними літій-іонними аналогами: вони займають менше місця і мають гнучкішу форму, що дозволяє легко встановлювати їх у пристрої з обмеженим простором для великих елементів - ідеально підходять для пристроїв, що носяться, і дронів, де простір є обмеженим.

Розробка більш стійких і безпечних електролітів для літій-полімерних акумуляторів є пріоритетним напрямком досліджень. Для досягнення цієї мети вчені досліджували неорганічні наповнювачі, такі як титанат літію і силікат магнію; ці наповнювачі допомагають зробити тверді полімерні електроліти жорсткішими, запобігають дендритному росту Li і покращують циклічну стійкість плівкових елементів SEI.

Зарядні пристрої

Літій-полімерні акумулятори потребують зарядного пристрою, здатного відстежувати і контролювати струм, напругу, температуру і схему захисту, щоб захистити їх від перезарядження або пошкодження внутрішніх компонентів. Вони можуть використовуватися в різних портативних електронних пристроях, які потребують частого заряджання; ефективні методи заряджання дозволять цим пристроям з часом повністю розкрити свій потенціал.

Літій-полімерні акумулятори привернули до себе певну негативну увагу через повідомлення про їхнє самозаймання, але такі повідомлення часто перебільшені та роздуті. Зазвичай причиною таких інцидентів є перегрів, який призводить до протікання хімічних реакцій, що зрештою спричиняють пожежу - тому дуже важливо, щоб зарядні пристрої не залишалися підключеними до мережі під час використання, а також не залишали вимикач увімкненим під час заряджання. Для безпечного заряджання необхідно, щоб під час заряджання батареї були від'єднані від мережі, а їхній кабель був належним чином закріплений на контролері ESC.

Під час заряджання акумулятора іони літію мігрують від позитивного електрода до негативного, утворюючи оксид літію. Ця хімічна реакція викликає корозію або "іржу", і в міру накопичення вона призводить до підвищення рівня внутрішнього опору, що призводить до підвищення вимог до внутрішнього опору для роботи акумулятора.

Дослідники докладають зусиль для підвищення продуктивності літій-полімерних акумуляторів. Використовуючи тверді полімерні електроліти, які підвищують провідність, дослідники досягли збільшення циклічності та швидкості роботи, а також покращення поверхні металевого літію за допомогою нанотехнологій.

Ефективним способом підвищення продуктивності літій-полімерного акумулятора є система терморегулювання, наприклад, електронний чіп, який допомагає контролювати швидкість заряду і напругу, виявляти тепловий стрес і допомагати уникнути перегріву. З розвитком технологій літій-полімерні акумулятори ставатимуть дедалі ефективнішими, проте їхня безпека все ще не може зрівнятися з безпекою літій-іонних акумуляторів.

Безпека

Виробники передбачили в літій-полімерних акумуляторах кілька функцій безпеки, щоб запобігти їхньому виходу з ладу через нагрівання. Наприклад, вони обмежують кількість активного матеріалу для досягнення рівноваги між щільністю енергії та безпекою; включають в елементи кілька захисних пристроїв; і мають електронну схему захисту, яка контролює елементи і автоматично вимикається, коли їхня внутрішня температура стає занадто високою.

Ще одним методом контролю температури є система терморегулювання. Система складається зі з'єднаних між собою термопрокладок, які відводять тепло від окремих елементів, а також охолоджують їх, обдуваючи повітрям, що допомагає запобігти перегріванню і подовжує термін служби батареї.

Літій-полімерні батареї можуть бути надзвичайно безпечними при правильному використанні. Вони не спричиняють пожежі, як їхні рідкі аналоги, і несправності, пов'язані з нагріванням, трапляються відносно рідко. Проте літієві полімери залишаються чутливими до зовнішніх джерел тепла, тому їх завжди слід зберігати в прохолодному місці, подалі від прямих сонячних променів або великих джерел тепла, таких як обігрівачі чи печі.

Щоб мінімізувати небезпеку пожежі, літієві батареї слід зберігати в прохолодному місці, подалі від легкозаймистих предметів, з вогнегасником поруч і регулярно перезаряджати, якщо ви плануєте зберігати батарею більше трьох місяців.

Завжди використовуйте зарядний пристрій, розроблений спеціально для LiPo-пакетів, і уважно перевіряйте налаштування, включаючи кількість елементів і силу струму. Також тримайте подалі будь-які металеві предмети, які можуть стати причиною короткого замикання. При використанні в радіокерованих моделях настійно рекомендується використовувати Lipo Sack.

Ніколи не намагайтеся "розігріти" або підвищити напругу понад 4,2 В на елемент, щоб поліпшити продуктивність; такі пристрої часто стверджують протилежне, але насправді можуть підвищити пожежонебезпеку або пошкодити обладнання в процесі роботи.