Mis vahe on liitiumpolümeerakul ja ioonakul?

Enamikul arenenud riikide elanikest on mobiiltelefonid, tahvelarvutid ja sülearvutid. Poest vidinat ostes ei mõtle te tõenäoliselt isegi selle aku tüübile. Ja see pole üllatav. Tehnoloogiad arenevad kiiresti, sealhulgas akude valdkonnas. Mitte nii kaua aega tagasi kasutati mobiilses elektroonikas Ni─Cd akusid, mis hiljem asendati Ni─MH-ga. Siis ilmus liitiumioon, mis vallutas kiiresti kaasaskantavate vidinate turu. Ja nüüd pigistavad need välja liitiumpolümeerakud. Ühel hetkel hakkab kasutaja mõtlema, milline aku tal on. Millised on selle eelised ja puudused? Selles artiklis püüame mõista, mis vahe on liitiumpolümeeraku ja liitiumioonaku vahel.

Liitiumit kasutavate akude loomisega on tööd tehtud juba mõnda aega. Kuid esimesed kasutatavad kodumasinate koopiad ilmusid alles eelmise sajandi 70ndatel. Kuid siis olid need ebatäiuslikud mudelid metallist liitiumi elektroodidega. Ja selliste akude töö on ohutuse mõttes problemaatiline. Selliste akude laadimise ja tühjendamise protsessis oli palju lahendamata probleeme.

Fakt on see, et liitiummetall on väga aktiivne ja sellel on kõrge elektrokeemiline potentsiaal. Selle kasutamine akudes võib oluliselt suurendada energiatihedust. Li-metallist elektroodidega akud, mis esimesena välja töötati, on kõrge pinge ja suure mahutavusega. Sellise aku pidev töötamine laadimis- ja tühjendusrežiimis toob aga kaasa asjaolu, et liitiumelektrood muutub.

See toob kaasa asjaolu, et töö stabiilsus on häiritud ja aku kontrollimatu reaktsiooni tõttu on süttimisoht. Akuelement kuumeneb kiiresti ja kui temperatuur tõuseb liitiumi sulamispunktini, tekib süttimisel äge reaktsioon. Seda seostati olmeelektroonikas esimeste liitiumakude tagasikutsumisega 90ndate alguses.

Selle tulemusena hakkasid teadlased välja töötama liitiumioonidel põhinevaid akusid. Seoses sellega, et pidime loobuma liitiummetalli kasutamisest, vähenes mõnevõrra energiatihedus. Kuid teisest küljest lahendati aku töötamise ajal tekkinud ohutusprobleemid. Neid uusi akusid nimetatakse liitiumioonakudeks.

Liitiumioonakude energiatihedus on 2-3 korda suurem (olenevalt kasutatud materjalidest) kui . Kui Li─Ion akud on tühjad, on nende omadused sarnased Ni─Cd-ga. Ainus asi, milles nad on neist halvemad, on töötamine ülikõrgete tühjendusvooludega (üle 10 C). Tänaseks on juba välja antud palju erinevaid liitiumioonakude modifikatsioone.

Need erinevad katoodina kasutatava materjali, vormiteguri ja mõne muu parameetri poolest. Neid iseloomustab ainulaadne konstruktsioon, mis sisaldab liitiumiioone sisaldavasse vedelasse elektrolüüti sukeldatud elektroode. See akuelement asetatakse suletud metallkestasse (teras, alumiinium). Liitium-ioonakude laadimis- ja tühjenemisprotsesside juhtimiseks on trükkplaat, mida nimetatakse kontrolleriks.

Et liitium-ioonakude pilt oleks terviklik, kaalume nende eeliseid ja puudusi.

Li-Ion eelised

• Kerge isetühjenemine;
• Kõrge energiatihedus ja mahutavus võrreldes leeliselistega;
• Ühe akuelemendi pinge on umbes 3,7 volti. Kaadmiumi ja metallhüdriidi puhul on see väärtus 1,2 volti. See võimaldab disaini oluliselt lihtsustada. Näiteks telefonid kasutavad akusid, mis sisaldavad ainult ühte elementi;
• Mäluefekt puudub, mis tähendab, et aku hooldus on lihtsam.

Li─Ion puudused

• Vaja on kontrollerit. See on trükkplaat, mis juhib akuelemendi või -elementide pinget, kui neid on mitu. Plaat kontrollib ka maksimaalset tühjendusvoolu ja mõnel juhul ka purki temperatuuri. Ilma kontrollerita on liitiumioonaku ohutu kasutamine võimatu;
• Li─Ion-süsteemi lagunemine toimub isegi ladustamise ajal. See tähendab, et aasta pärast väheneb aku maht märgatavalt, isegi kui seda ei kasutata. Ka muud tüüpi akud (leelis-, plii-happeakud) lagunevad ladustamise ajal järk-järgult, kuid nendes on see vähem väljendunud;
• Liitiumiooni hind on kõrgem kui kaadmiumi või .

Liitiumioontehnoloogia võimalused pole täielikult välja arendatud. Seetõttu ilmub pidevalt uusi akusid, kus seda tüüpi akude teatud probleemid lahendatakse. Lisateavet selle kohta, mis see on, lugege lisatud lingil olevast artiklist.

Li-Pol aku

Li─Ion akude laadimise ja tühjenemise ohutuse tagamise probleemide tõttu algas nende akude modifikatsioonide edasiarendus. Selle tulemusena töötati välja liitiumpolümeerakud. Nende erinevus ioonsetest on kasutatavas elektrolüüdis. Tasub öelda, et esimesed arendused selles suunas viidi läbi samaaegselt Li─Ion tehnoloogiaga. Eelmisel sajandil kasutati esimest korda tahkest polümeerist valmistatud kuiva elektrolüüti. Välimuselt näeb see välja nagu plastkile. See polümeer ei juhi voolu, kuid ei sega ioonivahetust, mis hõlmab laetud aatomite või nende rühmade liikumist. Lisaks elektrolüüdi sisaldusele toimib polümeer ka poorse eraldajana elektroodide vahel.

Uus disain on parandanud ohutust ja lihtsustanud aku tootmist. Ja veelgi olulisem on see, et liitiumpolümeerakusid saab toota peaaegu igasuguse kuju ja väga väikese paksusega (kuni 1 millimeeter). See võimaldab muuta erinevad Li─Pol akudel töötavad seadmed õhukeseks, kompaktseks ja elegantseks. Mõnda liitiumpolümeerakut saab isegi riietesse õmmelda.

Loomulikult on ka puudusi. Eelkõige on kuiva elektrolüüdiga Li─Pol akudel toatemperatuuril madal elektrijuhtivus. Selle põhjuseks on asjaolu, et sellel temperatuuril on nende sisetakistus kõrge, mis ei lase neil väljastada kaasaskantava elektroonika tööks vajalikku tühjendusvoolu.

Kui kuumutate liitiumpolümeerakut 60 kraadini Celsiuse järgi, suureneb juhtivus. Ilmselgelt ei sobi see telefonides ega tahvelarvutites kasutamiseks. Kuivpolümeerakud on aga turul oma niši leidnud. Neid kasutatakse varutoiteallikatena kõrgendatud temperatuuride tingimustes. Kütteelementide paigaldamisel on valikud, mis tagavad aku normaalseks tööks vajaliku temperatuuri.

Siinkohal tasub selgitada veel ühte olulist punkti. Kindlasti on kõik näinud, et Li─Pol märgistusega akusid on nutitelefonides, tahvelarvutites ja sülearvutites kasutatud juba pikka aega. Need on nii-öelda liitiumpolümeer-hübriidakud. Need on liitiumioon- ja kuivpolümeerakude ristand. Liitiumpolümeerakusid tootvad tootjad kasutavad elektrolüüdina liitiumiioonidega geelitaolist ainet.

Seega kasutavad peaaegu kõik tänapäevaste mobiilsete vidinate liitiumpolümeerakud geelitaolist elektrolüüti. Disaini järgi on need ioon- ja polümeerakude hübriid. Mis vahe on geelelektrolüüdiga ioon- ja polümeerakudel? Nende põhilised elektrokeemilised parameetrid on ligikaudu samad. Selliste hübriidakude erinevus seisneb selles, et poorse separaatori asemel kasutatakse tahket elektrolüüti. Nagu eespool mainitud, toimib see ka poorse eraldajana. Ja geeli olekus elektrolüüti kasutatakse ioonide elektrijuhtivuse suurendamiseks.

Liitiumpolümeerakud on turul üha laiemalt levinud ja need on tulevik. Vähemalt kodumasinate ja olmeelektroonika segmendis. Kuid siiani pole nende rakendamine eriti aktiivne. Mõned turueksperdid selgitavad seda sellega, et liitiumioonakude arendamisse on investeeritud liiga palju raha. Ja investorid tahavad lihtsalt oma investeeritud raha "tagastada". loe linki.

Liitiumpolümeerakud (Li-po) erinevad liitiumioonakudest selle poolest, et neil ei ole eraldajaid ja vedelat elektrolüüti. Liitiumpolümeerides kasutatakse homogeenset elektrolüüti liitiumisooladega geeli kujul või liitpolümeeri liitiumisooladega kuivas olekus (sageli on aluseks polüetüleenoksiid). Liitiumpolümeerakud võivad koosneda ka liitiumisoolade mittevesilahusest. Loe lähemalt erinevuste kohta.

Liitiumpolümeerakude eelised.

Liitiumpolümeeride peamised eelised akude ees on see, et neil on üsna madal isetühjenemine ja 4 ja pool korda suurem energiamaht kui sama massiga Ni-CD akudel.

Liitiumpolümeeride kasutusiga on tavaliselt 300–600 laadimis-/tühjenemistsüklit, kuid mõnikord leidub neid ka 1000 laadimistsükliga.

Väga levinud liitiumpolümeerakud on nupukujulised ja vaid 1 mm paksused. (tablett). Samuti on need akud liitiumioon-, nikkel-kaadmium- ja mittelaetavate akudega võrreldes väikseima kaaluga, eeldusel et neil on sama mahutavus.

Rakendus

Laialt levinud on väikese suurusega nupukujulised liitiumpolümeerakud, mille paksus on vaid 1 mm. Lisaks on neil patareidel kõige väiksem kaal võrreldes ülalkirjeldatud akude ja mittelaetavate patareidega, millel on sama energiamaht. See tegur määras liitiumpolümeerakude kasutamiseks täiendavad nišid:

• Mobiiltelefonid
• DVR-id ja navigaatorid
• raadio teel juhitavad mudelid
• erinevaid vidinaid ja seadmeid.

Liitiumpolümeerakude puudused:

■ energiatihedus on madalam kui ;

■ Liitiumpolümeeride suur sisetakistus ei suuda tagada suuri tühjendusvoolusid. Seetõttu ei saa liitiumpolümeere kasutada kruvikeerajates ja muudes väga võimsates seadmetes.

■ Kiire lagunemine, mistõttu liitiumpolümeerakud kaotavad paari aasta pärast suurema osa oma võimsusest isegi ladustamise ajal.

Need akud on väga tundlikud temperatuuritingimuste suhtes, milles nad töötavad. Seega ei saa liitiumpolümeerid negatiivsel ümbritseval temperatuuril normaalselt töötada. Kindlasti olete sageli märganud, kui kiiresti teie mobiiltelefon külma käes tühjeneb. Liitiumpolümeerid võivad plahvatada temperatuuril üle 70°C ja põhjustada tulekahju.

Liitiumpolümeerakud võivad aja jooksul halveneda, isegi kui neid ei kasutata. Seetõttu ei tohiks te liitiumpolümeere varuks osta. Liitiumpolümeeridel, nagu liitiumioonakudel, ei ole, kuid siiski on soovitatav järgida mõnda reeglit nende akude kohta:

• Laadige esmakordsel kasutamisel täis
• Läbige mitu täislaadimistsüklit, kasutades pingestabilisaatorit.
• Liitiumpolümeerakusid on soovitatav hoida jahedas, kuid mitte miinustemperatuuril.
• Vältige täielikku tühjenemist
• Vältida tuleks sagedast lühiajalist laadimist.
• Aku kõige optimaalsemad temperatuurid on +10°C kuni pluss 25°C.

Peaaegu kõik kaasaegsed elektroonilised vidinad on varustatud liitiumpolümeerakudega. Neid kasutatakse laialdaselt lendavatel raadio teel juhitavatel mudelitel, kvadrokopteritel, helikopteritel ja lennukitel. Liitiumpolümeerakudel on palju eeliseid, sealhulgas suur energiatihedus, madal isetühjenemine ja nn mäluefekti puudumine.

Selle tulemusena pole Li Pol jõuallikatega mudelitel akule praktiliselt mingit väärilist alternatiivi. Eeldatavasti hakatakse neid üha laiemalt kasutama, eriti sellistes valdkondades nagu mehitamata õhusõidukid, elektrisõidukid jne.

Vaatamata kõikidele eelistele on LiPol akudel kapriissete, ohtlike ja lühiajaliste toiteallikate maine. Tegelikult on need puudused mõnevõrra liialdatud. Õige kasutamise korral on probleemid minimaalsed.

Laadimise reeglid

Et toiteallika kasutamisel probleeme ei tekiks, tuleb LiPo akud korralikult laadida. Vastasel juhul on suur kahju ja isegi isesüttimise oht. Vaatame, kuidas liitiumpolümeerakut õigesti laadida, et vältida võimalikke probleeme:

• LiPo akut ei ole võimalik laadida ühegi laadijaga, selleks on vaja spetsiaalseid laadijaid. See on tingitud kahefaasilise laadimisprotsessi omadustest.

• Li Pol akude laadimine toimub kahes faasis (CC-CV meetod). Esimesel etapil tõuseb pinge kõigil akupankadel. Faasi lõpuks jõuab see 4,2 volti. Tegelikult saavutab Li Pol akude laetus sel hetkel 95%. Seejärel algab teine ​​etapp. Ülelaadimise vältimiseks, mis on liitiumpolümeerakudele kahjulik, vähendatakse voolu. Kui pinge ületab 4,25 volti, suureneb isesüttimise oht.
• Ei ole soovitatav lasta toiteallikal täielikult tühjeneda, enne laadimist peaks sellesse jääma umbes 10-20%, muidu läheb see kiiresti üles.
• Oluline on tagada, et pinge ei langeks igal pangal alla 3 volti. Sellise pinge languse korral on suur oht, et aku võib paisuda. Sellisel juhul kaotab paisunud LiPo aku rohkem kui 50% oma mahust. Kui LiPo aku on paistes, tuleb see vaid minema visata – mahu vähenemine on pöördumatu.

Asjaolu, et liitiumpolümeertoiteallikad paisuvad, on nende töös üks tõsiseid probleeme. Kõik pangad peaksid olema ühtlaselt laetud ja tühjendatud. Sel juhul jälgib liitiumpolümeerakude laadija ainult kogupinget, kuid suure indikaatorite hajuvuse korral suureneb tõenäosus, et LiPo aku on paistes. See toob kaasa ka üksikute purkide ülelaadimise, suurendades isesüttimise ohtu.

Selle probleemi lahendamiseks tuleb Li Pol akude laadimiseks kasutada tasakaalustajat, mis on võimeline iga panga pinget jälgima, või sisseehitatud tasakaalustajaga laadijat. Ärge laadige taimeriga laadija toiteallikat. Kui vool on ebapiisav, lülitub laadija välja ilma seda täielikult laadimata. Laadimisvool ei tohiks ületada 1C ja olla alla 0,5C. Samuti tuleb meeles pidada, et mida suurem on LiPo aku mahutavus, seda kauem võtab selle laadimine aega.

Ärakasutamine

Li Pol seadmete tööea pikendamiseks või vähemalt mitte lühendamiseks on oluline ka akude õige kasutamine. Toiteallika laadimisel ei tohi me lasta sellel kuumeneda üle 60 kraadi. Kui kuumeneb, tuleb akul lasta enne kasutamist jahtuda. Samuti ei tohiks laadida ülekuumenenud draivi.

Täiesti tühjenenud akut ei tohi ladustamiseks jätta. Laadige see kindlasti täis. Kõige optimaalsemad näitajad on 60%. Üldiselt, kui neid lihtsaid reegleid järgida, pole liitiumpolümeerakude kasutamisel probleeme.

Liitium-ioon ja liitium-polümeer akud

Insenerimõte areneb pidevalt: seda ergutavad pidevalt esile kerkivad probleemid, mille lahendamiseks on vaja arendada uusi tehnoloogiaid. Omal ajal asendati nikkel-kaadmium (NiCd) akud nikkel-metallhüdriid (NiMH) ja nüüd püüavad liitiumioonakud (Li-ion) asendada liitiumioonakud. NiMH akud on NiCd teatud määral välja tõrjunud, kuid viimaste selliste vaieldamatute eeliste tõttu nagu võime pakkuda suurt voolu, madalad kulud ja pikk kasutusiga, ei suutnud nad neid täielikult asendada. Aga kuidas on lood liitiumakudega? Millised on nende omadused ja mille poolest erinevad Li-pol akud liitium-ioonakudest? Proovime seda probleemi mõista.

Reeglina ei mõtle me kõik mobiiltelefoni või sülearvuti ostmisel sellele, milline aku sees on ja mille poolest need seadmed üldiselt erinevad. Ja alles siis, olles praktikas kohanud teatud akude tarbijaomadusi, hakkame analüüsima ja valima. Neile, kellel on kiire ja kes soovivad saada kohe vastuse küsimusele, milline aku on mobiiltelefoni jaoks optimaalne, vastan lühidalt - Li-ion. Järgnev teave on mõeldud uudishimulikele.

Esiteks lühike ekskursioon ajalukku.

Esimesed katsed liitiumakude loomisel algasid 1912. aastal, kuid alles kuus aastakümmet hiljem, 70ndate alguses, võeti need esmakordselt kasutusele kodumasinatesse. Pealegi, lubage mul rõhutada, need olid lihtsalt patareid. Hilisemad katsed liitiumakusid (taaslaetavaid akusid) välja töötada ebaõnnestusid ohutuse tõttu. Liitiumil, kõige kergemal metallidel, on suurim elektrokeemiline potentsiaal ja see annab suurima energiatiheduse. Liitiummetallist elektroode kasutavad akud pakuvad nii kõrget pinget kui ka suurepärast mahtuvust. Kuid 80ndatel tehtud arvukate uuringute tulemusena leiti, et liitiumakude tsükliline töö (laadimine - tühjendamine) põhjustab liitiumelektroodi muutusi, mille tagajärjel väheneb termiline stabiilsus ja tekib termilise oleku oht. kontrolli alt väljumine. Kui see juhtub, läheneb elemendi temperatuur kiiresti liitiumi sulamistemperatuurile - ja algab äge reaktsioon, mis süttib eralduvad gaasid. Näiteks 1991. aastal Jaapanisse saadetud suur hulk mobiiltelefonide liitiumakusid kutsuti pärast mitut tulekahjujuhtumit tagasi.

Liitiumile omase ebastabiilsuse tõttu on teadlased pööranud tähelepanu liitiumioonidel põhinevatele mittemetallilistele liitiumakudele. Olles pisut kaotanud energiatiheduse ja võtnud laadimisel ja tühjenemisel ettevaatusabinõusid, said nad turvalisemad nn liitiumioonakud.

Li-ioon akude energiatihedus on tavaliselt kaks korda suurem kui standard NiCd ja edaspidi eeldatakse tänu uute aktiivmaterjalide kasutamisele seda veelgi tõsta ja saavutada kolm korda paremus NiCd ees. Lisaks suurele mahutavusele käituvad Li-ion akud tühjenemisel sarnaselt NiCd-dega (nende tühjenemisomadused on kujult sarnased ja erinevad ainult pinge poolest).

Tänapäeval on liitium-ioonakusid palju erinevaid ning ühe või teise tüübi eelistest ja puudustest saab rääkida pikka aega, kuid välimuse järgi on neid võimatu eristada. Seetõttu märgime ainult need eelised ja puudused, mis on iseloomulikud igat tüüpi nendele seadmetele, ning kaalume põhjuseid, mis viisid liitiumpolümeerakude sünnini.

Peamised eelised.

• Suur energiatihedus ja sellest tulenevalt suur võimsus samade mõõtmetega võrreldes niklipõhiste akudega.
• Madal isetühjenemine.
• Kõrge pinge elemendi kohta (3,6 V versus 1,2 V NiCd ja NiMH puhul), mis lihtsustab disaini – sageli koosneb aku ainult ühest elemendist. Paljud tootjad kasutavad tänapäeval just sellist üheelemendilist akut mobiiltelefonides (meenutagem Nokiat). Sama võimsuse tagamiseks tuleb aga anda suurem vool. Ja see nõuab elemendi madala sisemise takistuse tagamist.
• Madalad hooldus(kasutus)kulud tulenevad mäluefekti puudumisest, mis nõuab perioodilisi tühjendustsükleid võimsuse taastamiseks.

Puudused.

Liitium-ioonakude valmistamise tehnoloogia paraneb pidevalt. Seda uuendatakse ligikaudu iga kuue kuu tagant ja on raske aru saada, kuidas uued akud pärast pikaajalist ladustamist "käituvad".

Ühesõnaga, liitium-ioon aku oleks kõigile hea, kui poleks probleeme selle tööohutuse tagamisega ja kõrget hinda. Katsed neid probleeme lahendada viisid liitium-polümeer (Li-pol või Li-polymer) akude tekkeni.

Nende peamine erinevus liitiumioonist kajastub nimetuses ja seisneb kasutatava elektrolüüdi tüübis. Esialgu, 70ndatel, kasutati kuiva tahket polümeerset elektrolüüti, mis sarnaneb plastkilega ja ei juhi elektrit, kuid võimaldab ioonide (elektriliselt laetud aatomite või aatomirühmade) vahetust. Polümeerelektrolüüt asendab tõhusalt traditsioonilist elektrolüüdiga immutatud poorset separaatorit.

See disain lihtsustab tootmisprotsessi, on ohutum ja võimaldab toota õhukesi vabakujulisi patareisid. Lisaks välistab vedeliku või geelelektrolüüdi puudumine süttimise võimaluse. Elemendi paksus on umbes üks millimeeter, nii et seadmete arendajad võivad vabalt valida kuju, kuju ja suuruse, kaasa arvatud selle rakendamine rõivakildudes.

Kuid siiani on paraku kuivadel Li-polümeerakudel toatemperatuuril ebapiisav elektrijuhtivus. Nende sisetakistus on liiga suur ega suuda tagada kaasaegseks sideks ja sülearvutite kõvaketaste toiteallikaks vajalikku vooluhulka. Samal ajal, kui kuumutatakse temperatuurini 60 C või rohkem, tõuseb Li-polümeeri elektrijuhtivus vastuvõetava tasemeni, kuid see ei sobi massiliseks kasutamiseks.

Teadlased jätkavad toatemperatuuril töötava kuiva tahke elektrolüüdiga liitiumpolümeerakude väljatöötamist. Sellised akud peaksid olema kaubanduslikult saadaval 2005. aastaks. Need on stabiilsed, võimaldavad 1000 täislaadimis- ja tühjenemistsüklit ning neil on suurem energiatihedus kui tänapäevastel liitiumioonakudel.

Vahepeal kasutatakse mõnda tüüpi liitiumpolümeerakusid nüüd kuumas kliimas varutoiteallikana. Näiteks paigaldavad mõned tootjad spetsiaalselt kütteelemendid, mis hoiavad aku jaoks soodsat temperatuuri.

Võite küsida: kuidas see nii saab? Li-polümeer akusid müüakse turul laialdaselt, tootjad varustavad nendega telefone ja arvuteid, kuid siinkohal ütleme, et need pole veel äriliseks kasutamiseks valmis. Kõik on väga lihtne. Sel juhul räägime akudest, mis ei ole kuiva tahke elektrolüüdiga. Väikeste Li-polümeerakude elektrijuhtivuse suurendamiseks lisatakse neile teatud kogus geelitaolist elektrolüüti. Ja enamik tänapäeval mobiiltelefonides kasutatavaid liitiumpolümeerakusid on tegelikult hübriidid, kuna need sisaldavad geelitaolist elektrolüüti. Õigem oleks neid nimetada liitiumioonpolümeeriks. Kuid enamik tootjaid märgistab need lihtsalt reklaami eesmärgil Li-polümeerina. Vaatleme üksikasjalikumalt seda tüüpi liitium-polümeerakusid, kuna praegu pakuvad need suurimat huvi.

Niisiis, mis vahe on liitiumioon- ja liitium-polümeerakul, millele on lisatud geelelektrolüüti? Kuigi mõlema süsteemi omadused ja efektiivsus on suures osas sarnased, on liitiumioonpolümeeri (võite seda nii nimetada) aku unikaalsuseks see, et see kasutab endiselt tahket elektrolüüti, asendades poorse separaatori. Geelelektrolüüti lisatakse ainult ioonjuhtivuse suurendamiseks.

Tehnilised raskused ja viivitused tootmise suurendamisel on viivitanud liitiumioonpolümeerakude kasutuselevõtuga. Seda põhjustab osade ekspertide hinnangul liitiumioonakude arendusse ja masstootmisse palju raha investeerinud investorite soov oma investeeringud tagasi saada. Seetõttu ei kiirusta nad uutele tehnoloogiatele üleminekuga, ehkki liitium-ioonakude masstootmise korral on liitiumioonakud odavamad kui liitiumioonakud.

Ja nüüd liitiumioon- ja liitium-polümeerakude töötamise funktsioonide kohta.

Nende peamised omadused on väga sarnased. Liitiumioonakude laadimist kirjeldatakse artiklis piisavalt üksikasjalikult. Lisaks annan ainult laadimise etappe illustreeriva graafiku (joonis 1) ja selle juurde väikseid selgitusi.

Kõigi liitiumioonakude laadimisaeg alglaadimisvooluga 1C (arvuliselt võrdne aku mahtuvuse nimiväärtusega) on keskmiselt 3 tundi. Täislaadimine saavutatakse, kui aku pinge on võrdne ülemise lävega ja kui laadimisvoolu vähendatakse tasemeni, mis on ligikaudu 3% algväärtusest. Aku jääb laadimise ajal külmaks. Nagu graafikult näha, koosneb laadimisprotsess kahest etapist. Esimesel (veidi üle tunni) tõuseb pinge peaaegu konstantse alglaadimisvooluga 1C, kuni esmalt saavutatakse ülemine pingelävi. Sel hetkel on aku laetud ligikaudu 70% võimsusest. Teise etapi alguses jääb pinge peaaegu konstantseks ja vool väheneb, kuni saavutab ülaltoodud 3%. Pärast seda peatub laadimine täielikult.

Kui peate akut pidevalt laetuna hoidma, on soovitatav laadida 500 tunni või 20 päeva pärast. Tavaliselt tehakse seda siis, kui pinge aku klemmidel langeb 4,05 V-ni ja peatub, kui see jõuab 4,2 V-ni

Paar sõna temperatuurivahemiku kohta laadimise ajal. Enamikku liitiumioonakude tüüpe saab laadida 1C vooluga temperatuuril 5–45 °C. Temperatuuridel 0 kuni 5 °C on soovitatav laadida vooluga 0,1 C. Laadimine miinustemperatuuril on keelatud. Laadimise optimaalne temperatuur on 15–25°C.

Li-polümeerakude laadimisprotsessid on peaaegu identsed ülalkirjeldatutega, seega pole tarbijal absoluutselt vaja teada, milline kahest akutüübist tal käes on. Ja kõik need laadijad, mida ta liitiumioonakude jaoks kasutas, sobivad liitiumpolümeerile.

Ja nüüd tühjendustingimuste kohta. Tavaliselt tühjenevad liitium-ioonakud väärtuseni 3,0 V elemendi kohta, kuigi mõne sordi puhul on alumine lävi 2,5 V. Akutoitega seadmete tootjad kavandavad tavaliselt seadmeid, mille väljalülituslävi on 3,0 V (igaks juhuks). Mida see tähendab? Aku pinge väheneb telefoni sisselülitamisel järk-järgult ja niipea, kui see jõuab 3,0 V-ni, hoiatab seade teid ja lülitub välja. See aga ei tähenda, et see oleks akust energia tarbimise lõpetanud. Energiat, ehkki vähe, on vaja selleks, et tuvastada, millal telefoni toitenuppu vajutatakse ja mõned muud funktsioonid. Lisaks tarbib energiat selle enda sisemine juhtimis- ja kaitseahel ning isetühjenemine, kuigi väike, on siiski tüüpiline isegi liitiumakudele. Selle tulemusena, kui liitiumakusid pikemaks ajaks laadimata jätta, langeb nende pinge alla 2,5 V, mis on väga halb. Sel juhul võib sisemine juhtimis- ja kaitseahel olla välja lülitatud ning kõik laadijad ei saa selliseid akusid laadida. Lisaks mõjutab sügav tühjenemine negatiivselt aku enda sisemist struktuuri. Täiesti tühjenenud akut tuleb esimesel etapil laadida ainult 0,1C vooluga. Lühidalt öeldes meeldib akudele olla pigem laetud kui tühjenenud olekus.

Paar sõna temperatuuritingimuste kohta tühjenemise ajal (loe töötamise ajal).

Üldiselt toimivad liitiumioonakud kõige paremini toatemperatuuril. Soojemates tingimustes töötamine vähendab oluliselt nende eluiga. Kuigi näiteks pliiaku mahutavus on kõrgeim temperatuuril üle 30 °C, lühendab pikaajaline töötamine sellistes tingimustes aku eluiga. Samuti toimib liitiumioon paremini kõrgetel temperatuuridel, mis esialgu neutraliseerib vananemisest tuleneva aku sisetakistuse suurenemise. Kuid suurenenud energiatoodang on lühiajaline, kuna temperatuuri tõus omakorda soodustab vananemise kiirendamist, millega kaasneb sisemise takistuse edasine suurenemine.

Ainsad erandid on hetkel kuiva tahke polümeerelektrolüüdiga liitiumpolümeerakud. Nad vajavad elutähtsat temperatuuri 60 °C kuni 100 °C. Ja sellised akud on leidnud oma niši kuumas kliimas varuallikate turul. Need asetatakse soojusisolatsiooniga korpusesse, millel on sisseehitatud kütteelemendid, mis saavad toite välisvõrgust. Liitium-ioon polümeerakusid tagavarana peetakse VRLA akudest võimsuse ja vastupidavuse poolest paremaks, eriti välitingimustes, kus temperatuuri reguleerimine pole võimalik. Kuid nende kõrge hind jääb piiravaks teguriks.

Madalatel temperatuuridel langeb kõigi elektrokeemiliste süsteemide akude efektiivsus järsult. Kui NiMH-, SLA- ja liitiumioonakud lakkavad töötamast temperatuuril -20 °C, jätkavad NiCd-akud töötamist kuni -40 °C-ni. Märgin vaid, et jällegi räägime ainult laialdaselt kasutatavatest akudest.

Oluline on meeles pidada, et kuigi aku võib töötada madalatel temperatuuridel, ei tähenda see, et seda saab ka sellistes tingimustes laadida. Enamiku akude laadimistundlikkus väga madalatel temperatuuridel on äärmiselt piiratud ja laadimisvoolu tuleks sellistel juhtudel vähendada 0,1 C-ni.

Kokkuvõtteks tahan märkida, et lisatarvikute alamfoorumi foorumis saate esitada küsimusi ja arutada probleeme, mis on seotud liitiumioon-, liitium-polümeer-, aga ka muud tüüpi patareidega.

Selle artikli kirjutamisel kasutati materjale [—Akud mobiilseadmetele ja sülearvutitele. Aku analüsaatorid.

Elektriaku on korduvkasutatav elektrivoolu keemiline allikas. Seda tüüpi akudes toimuvad pöörduvad sisemised keemilised protsessid, mis tagavad nende korduva tsüklilise kasutamise (laadimine/tühjenemine) elektrienergia salvestamiseks ja erinevate elektriseadmete toiteks majapidamise elektrivõrgule juurdepääsu puudumisel.

Akude tööpõhimõte põhineb neis toimuvate keemiliste reaktsioonide pöörduvusel. Aku laetuse kogunemine toimub selle laadimise teel, see tähendab, et aku tühjenemisel suunatakse elektrivool voolu liikumisele vastupidises suunas.

Aku on mitu akut, mis on ühendatud üheks elektriahelaks.

Aku peamine omadus on selle mahutavus. Aku mahutavus on aku maksimaalne võimalik kasutatav laetus. Ehk teisisõnu, aku mahutavus on energia hulk, mille täislaetud aku annab, kui see tühjeneb madalaima lubatud pingeni. SI-süsteemis mõõdetakse aku mahtuvust kulonides, kuid tavaliselt kasutatakse süsteemivälist mõõtühikut – ampertundi. 1 A/h = 3600 C. Samuti saab aku mahtuvust näidata vattitundides. Elektriakude teine ​​põhiomadus on aku väljundpinge. Teades aku väljundpinget, saate hõlpsasti teisendada vatt-tundides näidatud aku võimsust tavalisemateks ampertundideks.

Akude elektrilised omadused sõltuvad elektroodide materjalist ja elektrolüüdi koostisest. Allolev tabel näitab kõige sagedamini kasutatavaid elektriakude tüüpe.

Aku tüüp	Väljundpinge (V)	Kasutusala
Pliihape		trollid, trammid, autod, mootorrattad, elektrilised tõstukid, virnastajad, elektritraktorid, avariitoiteallikad, katkematud toiteallikad
nikkel-kaadmium (NiCd)		ehituslikud elektritööriistad, trollid, kodumasinad
nikkelmetallhüdriid (NiMH)		kodumasinad, elektriautod
liitiumioon (liitiumioon)	3,7 (3.6)	mobiilseadmed, ehitustööriistad, elektrisõidukid
liitiumpolümeer (Li-pol)	3,7 (3.6)	mobiilseadmed, elektrisõidukid
nikkel-tsink (NiZn)		kodumajapidamises kasutatavad elektriseadmed

Aku kasutamisel langevad selle väljundpinge ja vool. Kui kogu laetus on ära kasutatud, lakkab aku töötamast. Laadige akusid mis tahes alalisvooluallikast kõrgema pingega, piirates samal ajal voolu. Tavaliselt on laadimisvool, mõõdetuna amprites, 1/10 aku nimivõimsusest (ampertundides). Mõnel akutüübil on erinevad piirangud, mida tuleb aku laadimisel ja kasutamisel arvestada. Näiteks NiMH akud on tundlikud ülelaadimise suhtes, liitiumakud aga ülelaadimise, pinge ja ümbritseva õhu temperatuuri suhtes. NiCd ja NiMH akudel on "mäluefekt". Seda väljendatakse aku mahu vähenemises mittetäielikult tühjenenud aku laadimisel. Samuti on seda tüüpi akudel märkimisväärne isetühjenemine, st nad kaotavad järk-järgult laengu isegi siis, kui need pole koormaga ühendatud. Tilklaadimine aitab selle efektiga võidelda.

Liitium-ioonaku (Li-ion)- elektriaku tüüp, mida kasutatakse kõige laialdasemalt kaasaegsetes olmeelektroonikaseadmetes. Nüüd kasutatakse selliseid akusid mobiiltelefonides, sülearvutites, tahvelarvutites, elektriautodes, digikaamerates, videokaamerates jne.

Esimest korda asus G.N. liitiumpatareide väljatöötamisse. Lewis 1912. aastal. Kuid alles 1970. aastatel hakkasid ilmuma esimesed primaarsete liitiumelementide kaubanduslikud näited.

Eelmise sajandi 80ndatel viidi läbi suur hulk katseid, mille käigus leiti, et vooluallika tsüklistamisel metallist liitiumelektroodiga tekivad liitiumpinnale dendriidid. Selle tulemusena kasvavad dendriidid positiivse elektroodi külge ja liitiumelemendi sees tekib lühis. See lülitas sellised toiteallikad välja. Temperatuur aku sees jõuab liitiumi sulamistemperatuurini. See põhjustab aku plahvatuse.

Püüdes välja töötada ohutu liitiumi toiteallika, on insenerid viinud akus oleva tsükliliselt ebastabiilse liitiummetalli asendamiseni süsiniku ja siirdemetalli oksiidides sisalduvate liitiumi interstitsiaalsete ühenditega. Liitiumakude loomisel kasutatakse kõige sagedamini grafiiti ja liitiumkoobaltoksiidi (LiCoO2). Sellises akus liiguvad laadimise-tühjenemise ajal liitiumioonid ühelt implantatsioonielektroodilt teisele ja tagasi. Kuigi selliste elektroodimaterjalide spetsiifiline elektrienergia on liitiumi omast mitu korda madalam, on neil põhinevad akud palju ohutumad. Esimesed liitiumioonakud töötas välja Sony 1991. aastal. Praegu on Sony suurim liitiumipõhiste akude tootja.

Omadused:

Energiatihedus: 110-200 W*h/kg

Sisemine takistus: 150–250 mOhm (7,2 V aku jaoks)

Laadimis-/tühjenemistsüklite arv kuni 20% mahu kadumiseni: 500 kuni 1000

Kiire laadimisaeg: 2-4 tundi

Lubatud ülemaks: väga madal

Isetühjenemine toatemperatuuril: umbes 7% aastas

Maksimaalne elemendi pinge: umbes 4,2 V (täielikult laetud aku)

Minimaalne pinge: umbes 2,5 V (aku on täiesti tühi)

Koormusvool võimsuse (C) suhtes:

Tipp: üle 2C

Kõige vastuvõetavam: mitte üle 1C

Töötemperatuuri vahemik: −20 °C kuni +60 °C

Seade .

Algselt kasutati anoodidena koksi, hiljem aga grafiiti. Katoodina kasutatakse liitiumoksiide koobalti või mangaaniga.

Liitiumioonakude laadimisel toimub järgmine keemiline reaktsioon:

katoodidel: LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe −

anoodidel: С + xLi + + xe − → CLi x

Aku laadimise ajal toimub vastupidine reaktsioon.

Liitiumpatareide eelised.

1. Kõrge energiatihedus.

2. Madal isetühjenemine.

3. Ei mingit “mäluefekti”.

4. Kasutuslihtsus.

Liitiumakude puudused.

1. Liitiumioonakud võivad ülelaadimisel või ülekuumenemisel plahvatuslikult hävida. Selle efekti vältimiseks on kõik majapidamises kasutatavad liitiumakud varustatud sisseehitatud elektroonilise vooluringiga, mis juhib aku laetust, vältides selle ülelaadimist ja ülekuumenemist.

2. Kui akusid ei kasutata hoolikalt, võib nende eluiga olla lühem kui teist tüüpi akudel. Aku sügav tühjenemine hävitab liitiumioonelemendid täielikult.

3. Liitium-ioonakude optimaalsed säilitustingimused saavutatakse 40-50% aku mahutavusest ja ümbritseva õhu temperatuuril umbes 5 °C. Madal temperatuur on pikaajalise ladustamise ajal väikese võimsuse vähenemise jaoks olulisem tegur.

4. Liitiumioonakude ranged laadimistingimused muudavad nende kasutamise alternatiivenergias äärmiselt ebamugavaks. See juhtub seetõttu, et tuuleturbiinid ja päikesepaneelid ei suuda kogu laadimistsükli jooksul pidevat voolu pakkuda.

Vananemine.

Isegi kui liitiumakut ei kasutata, hakkab see kohe pärast tootmist vananema.

Liitiumpolümeer- ja liitiumioonakud kaotavad laadimisel oma mahutavuse, erinevalt nikkel- ja nikkelmetallhüdriidakudest. Mida kõrgem on aku laetus ja temperatuur selle ladustamise ajal, seda lühem on selle kasutusiga. Liitiumakusid on parem hoida 40–50% laetuna ja temperatuuril 0–10 °C. Ülelaadimine ja ka ülelaadimine vähendab selliste akude mahtuvust.

Liitiumpolümeer aku (Li-pol või Li-polymer)- See on liitiumioonaku kõige arenenum disain. See kasutab elektrolüüdina polümeermaterjali, mis sisaldab geelitaolist liitiumi juhtivat täiteainet. Neid kasutatakse laialdaselt nutitelefonides, mobiiltelefonides ja muudes digitaalseadmetes.

Tavalised kodumajapidamises kasutatavad liitiumpolümeerakud ei suuda anda suurt voolu, kuid on välja töötatud spetsiaalsed võimsusega liitiumpolümeerakud, mis suudavad anda voolu, mis on 10 või enamakordne võimsuse arvväärtusest. Selliseid akusid kasutatakse laialdaselt raadio teel juhitavates mudelites, samuti elektrilistes tööriistades ja mõnedes kaasaegsetes elektrisõidukites. Sarnaseid akusid kasutatakse uues pidurdusenergia muundamise tehnoloogias – KERS.

Liitiumpolümeerakude eelised.

1. Kõrge energiatihedus mahu- ja massiühiku kohta.

2. Madal isetühjenemine.

3. Elementide väike paksus - alates 1 mm.

4. Oskus saada väga paindlikke vorme;

5. Mitte suur pingelang tühjenemise edenedes.

6. Töötsüklite arv on 300 kuni 500, tühjendusvooludega 2C kuni võimsuskaduni 20%.

Liitiumpolümeerakude puudused.

1. Akud on ülelaadimise või ülekuumenemise korral tuleohtlikud. Selle efekti vältimiseks on kõik majapidamises kasutatavad liitiumakud varustatud sisseehitatud elektroonilise vooluringiga, mis juhib aku laetust, vältides selle ülelaadimist ja ülekuumenemist. Samuti on vaja spetsiaalseid laadimisalgoritme.

2. Liitiumpolümeerakude töötemperatuuri vahemik on piiratud. Need elemendid ei tööta hästi külmas.

Nii nagu liitium-ioonakud, vananevad ka liitiumpolümeerakud.

Tähelepanu! Saidi materjalide kasutamisel on vajalik link aadressile.