Jaké jsou hlavní rozdíly mezi Li-Ion lithium-iontovými bateriemi a Li-Pol lithium-polymerovými bateriemi?

Inženýrské myšlení se neustále vyvíjí: je stimulováno neustále se objevujícími problémy, které vyžadují vývoj nových technologií k řešení. Svého času byly nikl-kadmiové (NiCd) baterie nahrazeny nikl-metal hydridovými (NiMH) a nyní se lithium-iontové (Li-ion) snaží nahradit lithium-iontové (Li-ion) baterie. NiMH baterie do jisté míry nahradily NiCd, ale vzhledem k takovým nepopiratelným výhodám NiCd, jako je schopnost dodávat vysoký proud, nízké náklady a dlouhá životnost, nemohly poskytnout jejich plnou náhradu. Ale co lithiové baterie? Jaké jsou jejich vlastnosti a jak se Li-pol baterie liší od Li-ion? Pokusme se tuto problematiku pochopit.

Při nákupu mobilního telefonu nebo notebooku zpravidla všichni nepřemýšlíme o tom, jaký druh baterie je uvnitř a jak se tato zařízení obecně liší. A teprve poté, když se v praxi setkáme se spotřebitelskými vlastnostmi určitých baterií, začneme analyzovat a vybírat. Pro ty, kteří spěchají a chtějí okamžitě získat odpověď na otázku, která baterie je pro mobil optimální, odpovím stručně – Li-ion. Následující informace jsou určeny pro zvědavce.

Nejprve krátký exkurz do historie.

První experimenty s výrobou lithiových baterií začaly v roce 1912, ale teprve o šest desetiletí později, na počátku 70. let, byly poprvé uvedeny do domácích zařízení. Navíc, dovolte mi zdůraznit, byly to jen baterie. Následné pokusy vyvinout lithiové baterie (nabíjecí baterie) selhaly kvůli obavám o bezpečnost. Lithium, nejlehčí ze všech kovů, má největší elektrochemický potenciál a poskytuje největší hustotu energie. Baterie využívající lithiové kovové elektrody nabízejí vysoké napětí a vynikající kapacitu. Ale v důsledku četných studií v 80. letech bylo zjištěno, že cyklický provoz (nabíjení – vybíjení) lithiových baterií vede ke změnám v lithiové elektrodě, v důsledku čehož klesá tepelná stabilita a hrozí tepelný stav vymknout se kontrole. Když k tomu dojde, teplota prvku se rychle přiblíží bodu tání lithia – a začne prudká reakce, která zapálí uvolněné plyny. Například velké množství lithiových baterií mobilních telefonů dodaných do Japonska v roce 1991 bylo staženo po několika požárech.

Kvůli inherentní nestabilitě lithia výzkumníci obrátili svou pozornost na nekovové lithiové baterie založené na iontech lithia. Poté, co trochu ztratily na hustotě energie a přijaly určitá opatření při nabíjení a vybíjení, dostaly bezpečnější takzvané Li-ion baterie.

Energetická hustota Li-ion baterií je obvykle dvojnásobná oproti standardním NiCd [1] a v budoucnu se očekává, že ji díky použití nových aktivních materiálů ještě zvýší a dosáhne trojnásobné převahy nad NiCd. Kromě velké kapacity se Li-ion baterie při vybíjení chovají podobně jako NiCd (jejich vybíjecí charakteristiky jsou tvarově podobné a liší se pouze napětím).

Dnes existuje mnoho druhů Li-ion baterií a můžete dlouho mluvit o výhodách a nevýhodách jednoho nebo druhého typu, ale není možné je rozlišit podle vzhledu. Proto si všimneme pouze těch výhod a nevýhod, které jsou charakteristické pro všechny typy těchto zařízení, a zvážíme důvody, které vedly ke zrodu lithium-polymerových baterií.

• Vysoká hustota energie a v důsledku toho vysoká kapacita při stejných rozměrech ve srovnání s bateriemi na bázi niklu.
• Nízké samovybíjení.
• Vysoké napětí na článek (3.6 V versus 1.2 V u NiCd a NiMH), což zjednodušuje konstrukci – často se baterie skládá pouze z jednoho článku. Mnoho výrobců dnes používá právě takovou jednočlánkovou baterii v mobilních telefonech (vzpomeňte si na Nokii). Pro zajištění stejného výkonu je však nutné dodávat vyšší proud. A to vyžaduje zajištění nízkého vnitřního odporu prvku.
• Nízké náklady na údržbu (provoz) vyplývají z absence paměťového efektu, který vyžaduje periodické vybíjecí cykly pro obnovení kapacity.

• Baterie vyžaduje vestavěný ochranný obvod (což dále zvyšuje její cenu), který omezuje maximální napětí na každém článku baterie během nabíjení a zabraňuje přílišnému poklesu napětí článku při vybíjení. Kromě toho omezuje maximální nabíjecí a vybíjecí proudy a řídí teplotu prvku. V důsledku toho je prakticky vyloučena možnost metalizace lithia.
• Baterie podléhá stárnutí, i když se nepoužívá a jen leží na polici. Proces stárnutí je typický pro většinu Li-ion baterií. Z pochopitelných důvodů výrobci o tomto problému mlčí. Mírný pokles kapacity je patrný již po roce, bez ohledu na to, zda byla baterie používána nebo ne. Po dvou až třech letech se často stává nepoužitelným. U baterií jiných elektrochemických systémů však dochází také ke změnám souvisejícím se stárnutím se zhoršením jejich parametrů (to platí zejména pro NiMH vystavené vysokým okolním teplotám). Chcete-li snížit proces stárnutí, uložte baterii nabitou na přibližně 40 % její nominální kapacity na chladném místě mimo telefon.
• Vyšší cena ve srovnání s NiCd bateriemi.
• Je obtížné rychle otestovat [1] baterie (například na analyzátoru Cadex C7xxx), protože technologie jejich výroby ještě není plně vyvinuta a neustále se mění.

Technologie výroby Li-ion baterií se neustále zlepšuje. Aktualizuje se přibližně každých šest měsíců a je obtížné pochopit, jak se nové baterie „chovají“ po dlouhodobém skladování.

Jedním slovem, Li-ion baterie by byla dobrá pro každého, nebýt problémů se zajištěním bezpečnosti jejího provozu a vysokých nákladů. Pokusy vyřešit tyto problémy vedly ke vzniku lithium-polymerových (Li-pol nebo Li-polymer) baterií.

Jejich hlavní rozdíl od Li-ion se odráží v názvu a spočívá v typu použitého elektrolytu. Zpočátku, v 70. letech, se používal suchý pevný polymerní elektrolyt, podobný plastové fólii a nevodící elektřinu, ale umožňující výměnu iontů (elektricky nabité atomy nebo skupiny atomů). Polymerní elektrolyt účinně nahrazuje tradiční porézní separátor impregnovaný elektrolytem.

Tato konstrukce zjednodušuje výrobní proces, je bezpečnější a umožňuje výrobu tenkých baterií volného tvaru. Absence kapalného nebo gelového elektrolytu navíc eliminuje možnost vznícení. Tloušťka prvku je asi jeden milimetr, takže vývojáři vybavení si mohou svobodně vybrat tvar, tvar a velikost, a to i včetně jeho implementace do fragmentů oblečení.

Ale zatím bohužel suché Li-polymerové baterie mají při pokojové teplotě nedostatečnou elektrickou vodivost. Jejich vnitřní odpor je příliš vysoký a nemůže poskytnout množství proudu potřebné pro moderní komunikaci a napájení pevných disků přenosných počítačů. Zároveň se při zahřátí na 60 °C a více elektrická vodivost Li-polymeru zvýší na přijatelnou úroveň, ale to není vhodné pro masové použití.

Výzkumníci pokračují ve vývoji Li-polymerových baterií se suchým pevným elektrolytem, ​​který funguje při pokojové teplotě. Očekává se, že takové baterie budou komerčně dostupné do roku 2005. Budou stabilní, umožní 1000 cyklů úplného nabití a vybití a budou mít vyšší hustotu energie než dnešní Li-ion baterie

Mezitím se některé typy Li-polymerových baterií nyní používají jako záložní zdroje energie v horkém klimatu. Někteří výrobci například speciálně instalují topná tělesa, která udržují příznivou teplotu pro baterii.

Můžete se ptát: jak je to možné? Li-polymerové baterie se na trhu hojně prodávají, výrobci jimi vybavují telefony a počítače, ale tady říkáme, že ještě nejsou připraveny pro komerční využití. Je to velmi jednoduché. V tomto případě mluvíme o bateriích ne se suchým pevným elektrolytem. Aby se zvýšila elektrická vodivost malých Li-polymerových baterií, přidává se do nich určité množství gelovitého elektrolytu. A většina Li-polymerových baterií používaných dnes pro mobilní telefony jsou vlastně hybridy, protože obsahují gel podobný elektrolytu. Správnější by bylo nazývat je lithium-iontovým polymerem. Většina výrobců je ale pro reklamní účely jednoduše označuje jako Li-polymer. Podívejme se podrobněji na tento typ lithium-polymerových baterií, protože v současné době je o ně největší zájem.

Jaký je tedy rozdíl mezi Li-ion a Li-polymerovou baterií s přidaným gelovým elektrolytem? Přestože vlastnosti a účinnost obou systémů jsou do značné míry podobné, jedinečnost Li-ion polymerové (můžete to tak nazvat) baterie spočívá v tom, že stále používá pevný elektrolyt nahrazující porézní separátor. Gelový elektrolyt se přidává pouze pro zvýšení iontové vodivosti.

Technické potíže a zpoždění při navyšování výroby zpozdily zavedení lithium-iontových polymerových baterií. To je podle některých odborníků způsobeno touhou investorů, kteří investovali nemalé peníze do vývoje a hromadné výroby Li-ion baterií, aby se jim investice vrátily. S přechodem na nové technologie proto nikam nespěchají, i když při hromadné výrobě lithium-iontových polymerových baterií budou levnější než lithium-iontové.

A nyní o vlastnostech provozu Li-ion a Li-polymerových baterií.

Jejich hlavní vlastnosti jsou velmi podobné. Nabíjení Li-ion baterií je dostatečně podrobně popsáno v článku [2]. Kromě toho uvedu pouze graf (obr. 1) z [3] znázorňující fáze nabíjení a malá vysvětlení k němu.

Doba nabíjení všech Li-ion baterií s počátečním nabíjecím proudem 1C (číselně se rovná jmenovité hodnotě kapacity baterie) je v průměru 3 hodiny. Plného nabití je dosaženo, když se napětí baterie rovná horní prahové hodnotě a když se nabíjecí proud sníží na úroveň rovnající se přibližně 3 % počáteční hodnoty. Baterie zůstává během nabíjení studená. Jak je patrné z grafu, proces nabíjení se skládá ze dvou fází. V prvním (něco přes hodinu) se napětí zvyšuje při téměř konstantním počátečním nabíjecím proudu 1C, dokud není poprvé dosaženo horního prahu napětí. V tomto okamžiku je baterie nabitá přibližně na 70 % své kapacity. Na začátku druhého stupně zůstává napětí téměř konstantní a proud klesá, dokud nedosáhne výše uvedených 3 %. Poté se nabíjení úplně zastaví.

Pokud potřebujete baterii udržovat stále nabitou, doporučuje se dobíjet po 500 hodinách nebo 20 dnech. Obvykle se provádí, když napětí na svorkách baterie klesne na 4.05 V a zastaví se, když dosáhne 4.2 V

Pár slov o teplotním rozsahu během nabíjení. Většinu typů Li-ion baterií lze nabíjet proudem 1C při teplotách od 5 do 45 °C. Při teplotách od 0 do 5 °C se doporučuje nabíjet proudem 0.1 C. Nabíjení při teplotách pod nulou je zakázáno. Optimální teplota pro nabíjení je 15 až 25 °C.

Procesy nabíjení v Li-polymerových bateriích jsou téměř totožné s těmi popsanými výše, takže spotřebitel absolutně nemusí vědět, který ze dvou typů baterií má v ruce. A všechny ty nabíječky, které použil pro Li-ion baterie, jsou vhodné pro Li-polymer.

A nyní o podmínkách vypouštění. Typicky se Li-ion baterie vybíjejí na hodnotu 3.0 V na článek, i když u některých typů je spodní prahová hodnota 2.5 V. Výrobci bateriově napájených zařízení obvykle navrhují zařízení s prahem vypnutí 3.0 V (pro všechny příležitosti). Co to znamená? Napětí na baterii se při zapnutí telefonu postupně snižuje a jakmile dosáhne 3.0 V, zařízení vás upozorní a vypne se. To však neznamená, že přestalo spotřebovávat energii z baterie. Energie, i když malá, je potřeba k detekci stisknutí vypínače telefonu a některých dalších funkcí. Energii navíc spotřebovává vlastní vnitřní řídicí a ochranný obvod a samovybíjení, i když malé, je stále typické i pro baterie na bázi lithia. V důsledku toho, pokud jsou lithiové baterie ponechány po dlouhou dobu bez dobití, napětí na nich klesne pod 2.5 V, což je velmi špatné. V tomto případě může být vnitřní řídicí a ochranný obvod deaktivován a ne všechny nabíječky budou schopny takové baterie nabíjet. Hluboké vybití navíc negativně ovlivňuje vnitřní strukturu samotné baterie. Zcela vybitá baterie musí být nabita v prvním stupni proudem pouze 0.1C. Baterie jsou zkrátka rády v nabitém stavu než ve vybitém stavu.

Pár slov o teplotních podmínkách při vybíjení (čtěte za provozu).

Obecně platí, že lithium-iontové baterie fungují nejlépe při pokojové teplotě. Provoz v teplejších podmínkách vážně zkrátí jejich životnost. Přestože například olověná baterie má nejvyšší kapacitu při teplotách nad 30 °C, dlouhodobý provoz v takových podmínkách zkracuje životnost baterie. Stejně tak Li-ion funguje lépe při vysokých teplotách, což zpočátku působí proti nárůstu vnitřního odporu baterie, který je důsledkem stárnutí. Zvýšený energetický výdej je však krátkodobý, protože zvýšení teploty naopak podporuje urychlené stárnutí, doprovázené dalším zvýšením vnitřního odporu.

Jedinou výjimkou jsou v tuto chvíli lithium-polymerové baterie se suchým pevným polymerovým elektrolytem. Vyžadují životní teplotu mezi 60 °C a 100 °C. A takové baterie si našly své místo na trhu se záložními zdroji v horkém klimatu. Jsou umístěny v tepelně izolovaném pouzdře se zabudovanými topnými tělesy napájenými z vnější sítě. Li-ion polymerové baterie jako záloha jsou považovány za lepší z hlediska kapacity a životnosti než baterie VRLA, zejména v polních podmínkách, kde není možná regulace teploty. Limitujícím faktorem ale zůstává jejich vysoká cena.

Při nízkých teplotách výrazně klesá účinnost baterií ve všech elektrochemických systémech. Zatímco NiMH, SLA a Li-ion baterie přestanou fungovat při -20°C, NiCd baterie nadále fungují až do -40°C. Dovolte mi jen poznamenat, že opět mluvíme pouze o bateriích širokého použití.

Je důležité pamatovat na to, že ačkoli baterie může pracovat při nízkých teplotách, neznamená to, že ji lze za těchto podmínek také nabíjet. Odezva nabíjení většiny baterií při velmi nízkých teplotách je extrémně omezená a nabíjecí proud by v těchto případech měl být snížen na 0.1 C.

Na závěr bych rád poznamenal, že na fóru [4] v podfóru příslušenství můžete klást dotazy a diskutovat o problémech souvisejících s Li-ion, Li-polymerovými, ale i jinými typy baterií.

Při psaní tohoto článku byly použity materiály [3], které laskavě poskytl pan Isidor Buchmann, zakladatel a šéf kanadské společnosti Cadex Electronics Inc. [5].

Podrobnější informace v ruštině o bateriích pro mobilní komunikační zařízení, počítače a jiná přenosná zařízení, tipy pro provoz a údržbu jsou uvedeny v [6].

ODKAZY

1. Baterie pro mobilní zařízení – akademie pro neinženýry.
2. Baterie pro mobilní zařízení – způsoby nabíjení.
3. http://www.buchmann.ca/ — «Baterie v přenosném světě. Příručka o dobíjecích bateriích pro neinženýry» je online verze knihy pana Isidora Buchmanna, šéfa kanadské společnosti Cadex Electronics Inc.
4. http://forum.rax.ru/vb/forumdisplay.php?forumid=45 — Мобильники и аксессуарам для них.
5. http://www.cadex.com — Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada — разработчик и производитель зарядных устройств, анализаторов и систем обслуживания аккумуляторов.
6. http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ — Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.