аккумулятор lipo что это такое

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы: маркетинговые уловки и распространенные ошибки

Неоднократно сталкиваюсь в статьях и комментариях (в статьях все же гораздо реже) с использованием неправильных данных или названий, которые впоследствии приводятся, как аргументы, хотя на самом деле они ошибочны изначально. И эти ошибки распространяются по всем ресурсам, включая Гиктаймс.

Этой статьей я бы хотел разъяснить некоторые моменты и провести своеобразный ликбез.

Литий-полимерные аккумуляторы

Сразу с главного — в свободном доступе на рынке не существует литий-полимерных аккумуляторов в техническом смысле этого слова. В англоязычном мире с этим уже разобрались, а вот на постсоветском пространстве существуют некоторые издержки в терминологии, которыми пользуются маркетологи. Маленькое отступление — не то, чтобы этим не пользовались в других регионах, но там хотя бы есть возможность проверки этой информации на родном языке.

Немного истории

Любой литий-ионный аккумулятор имеет 4 основных составляющих — два электрода (анод и катод), электролит и сепаратор. Все 4 элемента развивались и развиваются дальше. Для электролита на начало исследований (1970-ые) было предложено два варианта — жидкий или твердый электролит. В то время твердый электролит обещал больше перспектив в эксплуатации — электролит не вытекает при повреждении корпуса, сам элемент более прочный. Главным недостатком было и остается высокое сопротивление твердого электролита, оно сводит на нет физические характеристики.

Фактически снижение количества ресурсов, выделяемых компаниями на разработку твердых электролитов, произошло в начале 1990-х, когда Sony вывела на рынок аккумулятор с жидким электролитом. Сама компания Sony еще в 1988 году была уверена в будущем успехе твердого электролита.

Не смотря на ориентацию на жидкий электролит компании не перестали искать альтернативы. Одним из вариантов стали так называемые гибридные электролиты. Фактически для них используется сепаратор с мелкими отверстиями и тем же жидки электролитом. Хотя он на ощупь кажется сухим, на самом деле количество электролита в нем не отличается от подобного в обычном аккумуляторе. Как в принципе и конструкция:

Схематическая модель литий-ионного аккумулятора с катодом LiCoO₂ и графитовым анодом из Википедии на немецком языке.

Подобные аккумуляторы довольно распространены, их коммерческое распространение началось еще в начале 2000-х, но физически и химически это те же самые литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом и их в общем не очень много.

Что же представлено на рынке?

Второй тип является измененной формой цилиндрических. Алюминиевый корпус, прямоугольник или квадрат в поперечном сечении. Популярен для стационарного применения и в транспорте.

Третий тип имеет мягкий корпус и не всегда оснащается встроенной системой защиты. Фактически удешевленный вариант призматической ячейки. Этот тип аккумуляторов используется, в частности, в мобильных телефонах.

Последние в списке и есть те самые «полимерные». Они так называются по нескольким причинам. Самый наглый способ маркетологов — корпус из полимеров, потому и «полимерные».

Второй вариант — использование полимерного мелкопористого сепаратора. Фактически ничем не отличается от обычного литий-ионного аккумулятора.

Третий вариант, который я не встречал — давать название «полимерный» на основании использования полимерных элементов в качестве основ катодов, анодов и прочих элементов. Как правило попадает в множество аккумуляторов в пластиковом корпусе.

Проблемы терминологии

При разработке концепции идея была такова, что под понятием «жидкий электролит» понимались жидкий или гелеобразный раствор соли лития, в то время как под понятием «твердый электролит» (solid electrolyte) — твердое состояние вещества. Так как возникло желание продать то, что обещалось но чего нет, то сегодня даже в среде исследователей гелевый электролит вносят в перечень «твердых» электролитов, хотя его характеристики все же скорее гибридные. Потому можно встретить описание в научных работах «твердый гелевый электролит», которое некоторыми учеными считается вводящим в заблуждение.

Будущее полимерных электролитов

Разработки ведутся и в перспективе возможно появление аккумуляторов с настоящим полимерным электролитом. Однако по состоянию на 2015 год лабораторные образцы полимерных электролитов на основе органической химии не показывали ощутимого прогресса, потому на дату публикации статьи в обозримом будущем не предвидится массового ухода от жидкого электролита.

Проблемы с наименованием типов аккумуляторов

На рынке представлено несколько различных типов литий-ионных аккумуляторов. Они имеют различные наименования, которые позволяют описывать их характеристики в плане емкости или безопасности. В целом можно встретить следующие типы:

Причина существования такого большого числа катодов и анодов аккумуляторов в различных требованиях к аккумуляторам. Где-то нужна бóльшая безопасность, а где-то емкость или мощность. Получить представление о запасаемой энергии можно исходя из того, что каждый тип катода и анода имеет разный потенциал, как видно из изображений ниже (в качестве потенциала в 0 В выбирается потенциал металлического лития, больше разница напряжений — больше мощность, энергетическая плотность зависит от количества атомов лития):

Общая схема с потенциалами от университета г. Киль. Источник

Материал из статьи 2013 года авторов Jiantie Xu, Shixue Dou и др. Источник

Еще одна картинка от Purdue School of Engineering and Technology. Источник

Общее представление о причинах может давать следующее грубое изображение связи потенциалов элементов и возможности металлизация лития при очень низком разряде или термической нестабильности при перезаряде:

Изображения взято из курса лекций

Самые небезопасные в эксплуатации из представленных на рынке — литий-кобальтовые с графитовый анодом, самые безопасные — с катодом LiFePO₄ и анодом Li₄Ti₅O₁₂. Естественно, наличие BMS (Battery Management System) уменьшает риски, но пренебрегать ими не стоит, тот же слишком сильный разряд эта система предотвратить не сможет, что критично для аккумуляторов с графитовым анодом.

Распространенные ошибки

Общие ошибки

Самая главная и часто встречаемая ошибка — противопоставление «обычному литий-ионному аккумулятору». Как видно выше, такого понятия, как «обычный» просто нет. И разница в напряжениях может быть самой разной для вроде бы одинаковых катодов и одинаковой для разных наборов катодов и анодов.

Вторая ошибка, не столь существенная, связанная с предыдущим пунктом, написание материала катода LiFePO₄ следующим образом — LiFePo₄. Здесь путаница довольно распространенная и сразу показывает, насколько можно доверять такому источнику.

Еще одна крупная ошибка — противопоставление LiPo-аккумулятора литий-ионному. Здесь несколько вариантов сравнения. Первое — это общее, связанное с заблуждением о существовании на рынке аккумуляторов с полимерным электролитом. Второе, имеющее более узкое применение, которое обычно озвучивается в следующем виде «литий-полимерный аккумулятор [речь о корпусе] лучше/хуже LFP/LTO/NCA (подставить нужное)».

Здесь идет смешение типа корпуса и начинки.

Например, по этой ссылке можно прочитать о LFP аккумуляторе в формате литий-полимерного (призматический корпус в данном случае).

Аккумулятор А долговечнее аккумулятора Б

Это еще одно своеобразное перекручивание фактов для аргументации при продаже. Такой метод применяется для разных типов аккумуляторов, но чаще всего сравнивается LFP вариант аккумулятора и литий-кобальтовый или NMC с графитовым катодом. В статьях в интернете, как рекламных так и просто популярных, можно найти соотношение полных эквивалентных циклов в 2000 к 500 в пользу LFP и как результат — рассказ о значительном превосходстве первого.

Здесь есть несколько неточностей. Во-первых, бóльшее число статей по литий-кобальтовым датировано 2005-2006 годами, в то время как для LFP — с 2012-2013. Данные по циклам основаны на этих статьях. Тем не менее разработки на останавливались и были одинаково активными для всех типов аккумуляторов и разрыв не настолько большой в один и тот же временной интервал. Во-вторых, не уточняется объем энергии, который передаст за свою жизнь аккумулятор, а ведь при равных размерах LFP имеет меньшую емкость.
Что же касается главного преимущества — бóльшего числа циклов, то если брать новые исследования и сравнивать в равных условиях серийные образцы, то разница не такая и драматическая. В общей сложности она составляет 20-30% (800 циклов против 1000 для 40°C, например), что не всегда оправдывает покупку того же LFP, так как будет передано меньше энергии за счет меньшей разницы напряжений за весь срок эксплуатации.

Источников с непосредственным сравнением нет, поскольку сам процесс тестирования длительный и дорогостоящий, осложненный договорами про не раскрывание названий участников, но сравнивая по ряду данных можно сделать вывод об аналогичных характеристиках на сегодня для всех литий-ионных аккумуляторов в плане срока эксплуатации во всех возможных сценариях, в т.ч. и простого хранения. Эти данные приведены, например, в источниках 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Прочие источники

Моя предыдущая статья про литий-ионные аккумуляторы — Эксплуатация литий-ионных аккумуляторов

Источник

Литий-полимерный (LiPo) аккумулятор

Литий-полимерный аккумулятор (LiPo)

В наше время появляется все больше и больше портативной переносной аппаратуры. Это могут быть мобильные телефоны, bluetooth-колонки и различные гаджеты. Наиболее часто используемым источником энергии в этом случае является литий-полимерный аккумулятор (Li-Po).

Литий полимерный аккумулятор в радиоприемнике

Такие аккумуляторные батареи имеют превосходную плотность энергии на килограмм, так называемый Вт × час /кг (Wh/kg) или на английский манер gravimetric energy density. Этот параметр показывает, как много энергии содержит аккумулятор либо конденсатор по отношению к его массе. Например, автомобили Тесла используют в своих электрокарах аккумуляторы с плотностью энергии в 254 Вт × час/кг.

Самой бешеной плотностью энергии на килограмм является элемент Уран-235. Если создать все условия для его расщепления, чем и занимаются на АЭС, то можно получить с него энергию до 24 500 000 000 Вт × час/кг! Это почти в 10 000 000 раз выше, чем у бензина. Можно сказать, что 1 кг урана даст в 10 000 000 раз больше энергии, чем 1 кг бензина, если, конечно, «разогнать» уран в ядерном реакторе.

Есть также такой параметр, как плотность энергии по отношению к объему или на английский манер volumetric density energy. Этот параметр показывает как много энергии содержит аккумулятор либо конденсатор по отношению к его объему. Выражается этот параметр, как Вт×час/литр или на английский манер Wh/L. Не забываем, что объем можно выражать также в литрах.

График эффективности различных типов аккумуляторов выглядит так:

График эффективности аккумуляторов различных видов

Виды литий-полимерных аккумуляторов

В настоящее время существуют множество литий-полимерных аккумуляторов разных форм и видов.

Виды литий-полимерных аккумуляторов

В первую очередь давайте разделим наши аккумуляторные батареи по видам. Есть одноэлементные батареи, которые выдают номинальное напряжение в 3,7 Вольт, а также есть многоэлементные батареи, которые состоят из одноэлементных. Здесь работает правило последовательного и параллельного соединения источников питания.

Получаем, что если соединять последовательно одноэлементные LiPo аккумуляторы, то можно увеличивать кратно их общее напряжение.

*cell — элемент, ячейка.

Одноэлементные аккумуляторы чаще всего можно увидеть в ваших мобильных телефонах и других гаджетах.

Многоэлементные аккумуляторы используются в электровелосипедах, электроскутерах и тд.

Схема контроля и защиты аккумуляторной батареи

На простом одноэлементном аккумуляторе мы можем увидеть термоскотч, который закрывает контакты аккумулятора

литий полимерный аккумулятор без схемы защиты

Некоторые дешевые одноэлементные аккумуляторы не имеют схемы защиты и контроля от перезаряда и разряда. Выводы в этом случае выходят прямо из батареи.

аккумулятор без схемы контроля и защиты

Но на большинстве аккумуляторов все-таки присутствует схема защиты и контроля заряда

аккумулятор со схемой защиты и контроля заряда

Здесь мы можем увидеть микросхему-контроллер DW01x, которая выполняет сразу несколько функций.

контроллер заряда DW01

Она разработана специально для литий-ионных/полимерных батарей и защищает их от повреждения или ухудшения срока службы из-за перезаряда, переразряда и/или сверхтока для одноэлементной литий-ионной/полимерной батареи. Более подробно ознакомится с ней можно здесь.

Также можно увидеть микросхему 8205

микросхема 8205 в литий-полимерном аккумуляторе

Эта микросхема является сборкой из двух N-канальных MOSFET транзисторов, которые управляются нашей DW01x.

Более подробно в даташите здесь.

В сборе вся схема заряда на Li-Po одноэлементную батарею выглядит приблизительно вот так:

схема защиты литий-полимерного аккумулятора

Как вы могли заметить, микросхема 8205 представлена в виде двух МОП-транзисторов.

На Алиэкспрессе можно найти готовые модули для зарядки одноэлементных батарей. Здесь отчетливо видно микросхемы DW01A, 8205A, а также незнакомую нам TC4056A, которая является еще одним программируемым контроллером. Она задает ток зарядки, напряжение и тд. с источника питания. С таким модулем ваша аккумуляторная батарея без схемы защиты может спать заряжаться спокойно.

модуль контроля и защиты заряда для литий-полимерных батарей

Присмотреть себе такой модуль вы можете по этой ссылке.

Что будет, если мы вообще уберем схему защиты и контроля? Итак, для этого нам понадобится простой кислотный аккумулятор.

Берем вот такой аккумулятор

и цепляем его к нашей LiPo батарее без схемы защиты и контроля заряда, то есть напрямую к ее выводам

В течение нескольких секунд батарею сначала пучит

вздувшаяся литий-полимерная батарея

А потом она взрывается.

взорвавшаяся литий-полимерная батарея

Поэтому, схема контроля и защиты очень важна для LiPo аккумуляторных батарей.

Параметры схемы защиты и контроля

Давайте разберем некоторые параметры схемы защиты и контроля на литий-полимерную батарею на базе микросхемы DW01-P

основные параметры схемы защиты для литий-полимерного аккумулятора

Сразу можно заметить, что если к батарее с напряжением самого элемента в 3,9 В не подключена никакая нагрузка, то схема защиты и контроля будет «кушать» 3 мкА. Это вообще копейки. Если же на элементе будет 2 В, то схема уйдет в так называемый очень экономный режим и будет кушать максимум 0,1 мкА, то есть почти ничего.

Ну теперь можно перейти к более интересным параметрам.

Overcharge Protection Voltage

По-русски, защита от переЗАРЯДА. В нашем случае типичное значение этого параметра составляет 4,25 В. То есть, когда наша батарея зарядится до 4,25 В, сработает защита и батарея перестанет потреблять ток.

Давайте проверим это на практике. Выставляем на блоке питания значение в 4,2 Вольта

и начинаем заряжать наш аккумулятор. О том, что аккумулятор начал заряжаться, нам показывает индикация силы тока. В данный момент она равна 0,72 Ампера.

Но что случится, если мы подадим большее напряжение на батарею? Выставляем 4,5 В и смотрим на потребление силы тока аккумулятором.

Как вы могли заметить, потребление сразу же упало до нуля, что говорит нам о том, что сработала защита. Напряжение, более чем 4,2 Вольта для Li-ion/Po аккумуляторов считается убийственным. В данном случае схема защиты и контроля заряда отлично справилась со своей работой.

Overcharge Release Voltage

Очень интересный параметр. Итак, у нас батарея «наелась» электрического тока до 4,25 В. Схема защиты ее отключила от дальнейшего заряда, иначе она бы бабахнула, как в опыте выше. Но вот было бы неправильно, если зарядка батареи продолжалась бы после того, как напряжение на батарее просело бы, допустим, до 4,24 В. Что опять подзаряжать батарею? Опять лишний раз «дергать» ключи на мосфетах? Зачем? Поэтому, вводят так называемый гистерезис. Когда напряжение на самом элементе просядет до этого значения, то он снова начнет заряжаться.

В нашем случае типичное значение составляет 4,05 В. То есть, если напряжение батареи просядет до этого уровня, схема контроля и защиты вновь продолжит заряд аккумулятора до уровня Overcharge Protection Voltage.

Overdischarge Protection Voltage

Защита от переРАЗРЯДА.

Достигнув этого значения, батарея уходит в глубокую спячку. Но почему так происходит, что она не желает заряжаться? Дело как раз в параметре Overdischarge Release Voltage (о нем ниже).

Overdischarge Release Voltage

Пока разряженная батарея не достигнет этого уровня, все попытки зарядить ее тщетны, если только напрямую подать электрический ток сразу на выводы аккумулятора, хотя в этом режиме она все равно может заряжаться, но очень-очень долго. То есть в нашем случае, для того, чтобы снова можно было заряжать батарею, на элементе должно быть напряжение не менее 3 В. Если будет меньше, заряд просто не пойдет.

PS. Эх, сколько было выкинуто таких батареек на свалку человечеством! Люди думали, что батарейка полностью сдохла и отказывалась заряжаться. А всего-то надо было немного подзарядить элемент до уровня разрешения зарядки Overdischarge Release Voltage и спокойно дальше заряжать аккумулятор.

Overcurrent Protection

Ну а также есть замечательный параметр, как перегрузка по току Overcurrent Protection. В нормальном режиме микросхема DW01x постоянно контролирует ток разряда на своем выводе CS. Здесь есть два пути развития событий:

— если на ноге CS будет напряжение 150 мВ (перегруз по току), то через 10 мс батарея уйдет «спать» и полностью отключит нагрузку

— если на этой ноге будет напряжение 1,35 В (режим короткого замыкания выводов) то батарея уйдет «спать» меньше, чем за 500 мкс. То есть как только коротнули выводы, батарея мгновенно отключает нагрузку).

Для того, чтобы батарея вышла из спящего режима, надо полностью отцепить нагрузку, либо сделать так, чтобы нагрузка превышала 500 кОм.

Короткое замыкание без схемы защиты и контроля

А что если устроить короткое замыкание батареи без схемы защиты и контроля? Для этого убираем эту плату и коротим выводы батареи накоротко. Через несколько секунд видим, что ее пучит и разрывает.

Имейте ввиду, что составные батареи не имеют встроенную схему защиты и контроля, так как в основном предназначены для силовых устройств.

Поэтому, с ними нужно быть как можно более осторожными, не замыкать выводы и не перегружать по току, если собираетесь их использовать в своих разработках. Для них идет специальное умное зарядное устройство, которое отключает заряд при полном заряде батареи

либо специальный модуль для заряда таких аккумуляторов

Его можете посмотреть по этой ссылке.

Материал для статьи был подготовлен по видео

Источник