4.2. Особенности литий-полимерных аккумуляторных батарей

Литий-полимерные батареи отличаются от обычных ли­тий-ионных аккумуляторных батарей видом используемого элек­тролита. Разработанные в 1970-х годах, они используют только твердый сухой электролит из полимера, который похож на плен­ку из пластика, не проводящую электрический ток, но обеспечи­вающую ионообмен (т. е. пропускающую через себя ионы — электрически заряженные атомы или группы атомов). Полимер­ный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитываемый жидким электролитом.

Сухой полимер позволяет упростить производство, улучшить безопасность аккумуляторных батарей этого вида и добиться их тонкопрофильной геометрии. При этом исчезает опасность вос­пламенения батарей, поскольку в них не используется жидкий или гелеобразный электролит.

С появлением элементов литий-полимерных аккумулятор­ных батарей толщиной всего в 1 мм перед конструкторами аппа­ратуры открылись новые возможности в отношении конечной формы и размеров новых электронных устройств. Были сняты многие ограничения касательно микроминиатюризации радио­электронных устройств. Новые микроэлементы питания для коммерческого использования появились на рынке всего неско­лько лет назад.

К сожалению, недостатком литий-полимеров является их плохая проводимость. Внутреннее сопротивление литий-поли­мерных батарей слишком велико и не позволяет обеспечивать токи, необходимые для работы современных средств связи и ра­боты жестких дисков портативных компьютеров. Хотя нагрев элемента таких батарей до 60 °С и выше и увеличивает проводи­мость до необходимых значений, такой способ снижения их

96

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

внутреннего сопротивления не пригоден для коммерческих при­ложений.

Исследования в области усовершенствования характеристик литий-полимерных батарей при работе в условиях температур, близких к комнатным, продолжаются. Ожидается, что уже к 2005 г. появятся батареи этого типа, пригодные для коммерче­ского применения, способные сохранять работоспособность при количестве циклов заряд/разряд до 1000 и имеющие более высо­кую энергетическую плотность, чем выпускаемые в настоящее время литий-ионные батареи.

В то же время литий-полимерные аккумуляторные батареи в настоящее время успешно применяются в источниках резервно­го питания в странах с жарким климатом. Чаще всего они заме­няют свинцово-кислотные батареи (VRLA), которые критичны к

98

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

99

Верхняя крышка

Отверстие для заливки электролита

Анод

Прокладка

Лазерная сварка

Предохранительный клапан

Лазерная сварка

Спейсер(бакелит)

Вывод (А/)

Термопредохранитель

Катод

Внутренний корпус

Токовый коллектор: •анод—А\, графит ■ сепаратор • катод — Сu, LiCoO

Рис. 4.3. Конструкция литий-ионного аккумулятора в призматическом корпусе

ются и в цилиндрических корпусах, а вот литий-полимерные ба­тареи имеют исключительно призматические элементы, и для них не существует каких-либо стандартов, определяющих габа­ритные размеры. Призматические элементы по габаритам часто привязывают к типоразмерам 340648 и 340848, где первые две цифры означают ширину элемента, две другие — его толщину и две последние — длину. Некоторые производители позволяют себе отступать от этих стандартов. Например, Panasonic выпус­кает батареи размерами 34 х 50 мм и толщиной 6,5 мм. Это дела­ется умышленно, с целью увеличения емкости батареи. Кроме того, маркировка литий-ионных аккумуляторов Panasonic отли­чается порядком цифр. Например, CGA103450, где две первые цифры обозначают толщину аккумулятора в миллиметрах, две другие — его ширину, две последние — высоту.

Недостатком призматических элементов является их более низкая по сравнению с цилиндрическими элементами энерге­тическая плотность. Кроме того, производство призматических элементов обходится дороже, сами они не обеспечивают такой высокой механической прочности, какую обеспечивают ци­линдрические элементы. Для предупреждения раздутия из-за внутреннего давления газов корпус призматических элементов приходится изготавливать из более прочных металлов, хотя производители и допускают возможность их незначительного раздувания.

При небольших габаритах призматические элементы имеют емкость от 400 до 2000 мА-ч и выше. Поскольку для различных моделей мобильных телефонов необходимы батареи определен-

ных размеров и формы, производители аккумуляторных батарей полностью удовлетворяют запросы их производителей. Такие ба­тареи не имеют системы вентиляции и могут раздуваться. Но, если соблюдать правила их эксплуатации, этого не произойдет.

В 1995 г. впервые были представлены элементы аккумуля­торных батарей в виде пакета. В отличие от дорогостоящих ме­таллических цилиндров и переходов стекло-металл для изоляции пластин противоположной полярности, в пакетных элементах положительные и отрицательные пластины завернуты в гибкую жаропрочную фольгу. Выводы такого элемента представляют со­бой проводящие выводы из фольги, к которым припаяны элект­роды, изолированные от материала пакета. Внешний вид пакет­ного элемента представлен на рис. 4.4.

Из-за своей конструкции пакетный элемент позволяет точ­но «привязаться» к заданным размерам необходимого элемента, добиваясь эффективности использования внутреннего про­странства корпуса в 90...95 %. А это наиболее высокий коэф­фициент использования пространства корпуса из всех видов ак­кумуляторов.

В связи с отсутствием металлического корпуса пакетные эле­менты имеют малый вес. Основные области их применения: мо-

Тефлоновая подложка с токосъемником из графита

Анод из полимера

Полимер, пропитанныйгелевым электролитом

Катод из полимера

Тефлоновая подложка с токосъемником из графита

Рис. 4.4. Пакетные элементы литий-ионных батарей

100

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

бильные устройства, военная техника связи. Размеры элементов не стандартизованы, они выпускаются для целевого назначения.

По принципу работы пакетные элементы относятся к ли­тий-ионным или литий-полимерным аккумуляторам. В настоя­щее время они еще достаточно дороги для массового производ­ства и, кроме того, недостаточно надежны, их энергетическая плотность и токи разряда меньше, чем у аккумуляторов обычной конструкции, и, соответственно, меньше срок службы.

Неприятной является возможность раздутия пакетных эле­ментов выделяющимися при заряде или разряде газами. Произ­водители утверждают и настаивают на том, что в правильно сконструированных литий-ионных и литий-полимерных эле­ментах газы не выделяются, если строго соблюдаются правила их эксплуатации: заряд должен происходить только при опреде­ленной величине тока, и напряжение заряда должно лежать в пределах допустимых значений. При разработке защитного по­крытия пакетных элементов необходимо предусматривать неко­торый запас свободного объема для предотвращения раздутия, а при использовании нескольких элементов в качестве батареи лучше не объединять их в «пачку», а располагать рядом один за

другим.

Пакетные элементы очень чувствительны к скручиванию, а также к точечным давлениям. Поэтому защитное покрытие дол­жно предохранять элементы от такого вида воздействий и меха­нических ударов.

В различных видах цифровой аппаратуры, в том числе и в компьютерной технике, в качестве источника питания энергоне­зависимой памяти используют таблеточные литий-ионные акку­муляторы. Устройство такого аккумулятора поясняет рис. 4.5.

Вывод анода

Анод(Li-Al)

Корпус элемента Коллектор

Катод (V₂O₅)

Прокладка

Рис. 4.5. Устройство таблеточного литий-ионного аккумулятора

Сепаратор

Литий-ионные и литий-полимерные батареи