Литий-полимерный аккумулятор особенности и проверка, внутреннее сопротивление аккумулятора

литий-полимерный аккумулятор (более правильно литий-ионный полимерный аккумулятор (lithium-ion polymer battery),существуют разные аббревиатуры: Li-pol, Li-polymer LiPo, LIP, Li-poly и т. д.) — это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего[уточнить] наполнителя. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике, радиоуправляемых моделях и пр.

Обычные бытовые литий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, способные отдавать ток, в 10 и даже 130 раз превышающий численное значение емкости в ампер-часах. Они широко применяются как аккумуляторы для радиоуправляемых моделей, а также в портативном электроинструменте и в некоторых современных электромобилях.

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC₆, оксиды (LiMnO₂) и соли (LiMn_RO_N) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.

В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

• кобальтат лития LiCoO₂ и твердые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
• литий-марганцевая шпинель LiMn₂O₄
• литий-феррофосфат LiFePO₄.

Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:

• литий-кобальтовые LiCoO₂ + 6C → Li_1-xCoO₂ + LiC₆
• литий-ферро-фосфатные LiFePO₄ + 6C → Li_1-xFePO₄ + LiC₆

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

Контроллер заряда/разряда (плата защиты) цилиндрического литий-ионного аккумулятора, конструкционно припаянный к отрицательному контакту аккумулятора и обратной фольгированной стороной выполняющий его функции. На снимке частично демонтирован и отсоединен от проводника, идущего к положительному контакту аккумулятора

Почти всегда в корпус аккумулятора встроен контроллер (или PCM-плата (англ. Protection Circuit Module)), который управляет зарядкой и защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда, чрезмерного разряда и превышения температуры, приводящих к преждевременной деградации или разрушению. Также этот контроллер может ограничивать ток потребления, защищать от короткого замыкания. Тем не менее, надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. Производители могут не устанавливать ее в целях снижения стоимости, веса, а также в устройствах, в которых встроен контроллер защиты, в аккумуляторных батареях (например, ноутбуков) используются аккумуляторы без встроенной платы защиты^[11].

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких ячеек последовательно. Зарядные устройства для таких многосоставных аккумуляторов с ячейками или сами аккумуляторные батареи снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства ячеек могут немного различаться, и какая-то ячейка достигнет полного заряда/разряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой ячейки, продолжая заряжать остальные, так как перезаряд литий-ионных аккумуляторов выводит их из строя. Эту функцию выполняет специальный узел — балансир (или BMS-плата (англ. Battery Management System)). Он шунтирует заряженную ячейку так, чтобы ток заряда шел мимо нее. Балансиры одновременно выполняют как функцию платы защиты в отношении каждого из аккумуляторов, так и батареи в целом.

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,15—4,25 В.

Существуют литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы типоразмеров АА и ААА с напряжением 1,5 В. Они имеют не только схему защиты, но также встроенный электронный преобразователь напряжения (англ. DC-DC converter). Отличие таких аккумуляторов — стабилизированное напряжение на контактах в 1,5 В вне зависимости от рабочего напряжения самой ячейки аккумулятора и его моментальное обнуление, когда литиевая ячейка разряжается до нижнего допустимого предела и срабатывает защита от чрезмерного разряда. Такие аккумуляторы можно спутать с похожими по размерам аккумуляторами 14500 и 10440 напряжением 3,7 В, а также с незаряжаемыми одноразовыми литиевыми элементами питания. Все они различаются маркировкой.

Из-за высокой пожароопасности литиевых батарей предпринимаются попытки перехода на БМС с полностью открытым исх

Производители явно указывают как бонус наличие встроенного такого устройства, но если нет этого устройства то пишут что аккумулятор нуждается внем вмето просто указания отсутвия его.

Основные показатели элементов, зависящие от химсостава, находятся в следующих пределах:

• напряжение единичного элемента:
  • максимальное: 4,2 В (или 4,35/4,40 В для высоковольтных);
  • минимальное: 2,5 В (или 2,8/3,0 В для высоковольтных);
• удельная энергоемкость: 110…325 Вт·ч/кг;
• внутреннее сопротивление: 4…15 мОм;
• число циклов заряд-разряд до снижения емкости до 80 %: 600;
• время быстрого заряда: 1 час;
• саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25 °C и заряде 100 % ≈1,6 % в месяц;
• ток нагрузки относительно емкости С, представленной в А·ч:
  • постоянный: до 5С;
  • импульсный: до 50С;
  • оптимальный: до 1С;
• диапазон рабочих температур: от −20 °C до +60 °C (оптимальная +23 °C);

Параллельное подключение аккумуляторов

Параллельное подключение литий-ионных аккумуляторов — это способ увеличить общую емкость и ток отдачи, сохранив одно и то же напряжение. Вот ключевые аспекты:

Что дает параллельное соединение

• Напряжение остается тем же (например, 3.7 В).

• Ёмкость суммируется: два аккумулятора по 3000 мА·ч дадут 6000 мА·ч.

• Снижается нагрузка на каждый элемент при токовой отдаче.

• Увеличивается время работы устройства.

Важные правила безопасности

1. Аккумуляторы должны быть одинаковыми:

   • Тип (Li-ion, Li-Po)

   • Ёмкость

   • Состояние (IR, уровень заряда)

   • Производитель и модель — желательно

2. Перед соединением — уравнять напряжение:

   • Разница более 0.05 В может вызвать ток перетекания → перегрев, деградация.

3. Использовать плату защиты (BMS):

   • Она балансирует элементы, защищает от перезаряда, переразряда и перегрузки.

4. Контроль температуры и тока:

   • При параллельной работе токи могут быть высокими → нужен термоконтроль.

При использовании литий-ионных аккумуляторов в составе батарей без балансирующего устройства часть из них окажется переразряженной (B) при работе батареи или перезаряженной (C) либо не дозаряженной (D) до номинальной емкости во время зарядки батареи

Преимущества

• Большая плотность энергии на единицу объема и массы (в сравнении с литий-ионными);
• Низкий саморазряд;
• Толщина элементов от 1 мм;
• Возможность получать очень гибкие формы;
• Отсутствие эффекта памяти;
• Незначительный перепад напряжения по мере разряда.
• Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов довольно широкий: от −20 до +40 °C по данным производителей.

Недостатки

• Огнеопасны
• Теряют работоспособность при переразряде
• Теряют емкость на холоде
• стареют от времени даже если не испольлзуются
• сильная деградация при глубоком разряде

Аккумуляторы пожароопасны при перезаряде и/или перегреве. Для борьбы с этим явлением все бытовые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда. По этой же причине требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств).

Количество рабочих циклов 800—900, при разрядных токах в 2С до потери емкости в 20 % (для сравнения: NiCd — 1000 циклов, NiMH — 500, LSD NiMH — 1500, LiFePO4 — 2000). Вообще говоря, каких-либо данных по количеству рабочих циклов пока еще очень мало и к приведенным в данном случае их характеристикам необходимо относиться критически. Кроме того, технология их изготовления совершенствуется, и возможно, что в данный момент цифры по этому типу аккумулятора уже другие.

Старение аккумуляторов

Под воздействием заряда литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы снижают емкость в зависимости от температурного режима.

Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-полимерный аккумулятор. Оптимальные условия хранения Li-pol аккумуляторов достигаются при 40%-м заряде от емкости аккумулятора. Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года батарея теряет около 20 % емкости . Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса. При покупке обязательно посмотрите на дату производства, чтобы знать, сколько данный источник питания уже пролежал на складе. В случае, если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки.

Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Соответственно, нет смысла покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.

Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от емкости аккумулятора и температуре 0…10 °C.

Как и в других типах аккумуляторов, разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов. Разряд аккумулятора при температуре, не ниже указанной производителем аккумуляторов, не приводит к их деградации (преждевременному исчерпанию ресурса). Как и для других типов аккумуляторов, одним из вариантов решения проблемы являются аккумуляторы с внутренним подогревом

Глубокий разряд литий полимерного аккумулятора

Если литий-ионный аккумулятор разрядится, например, до 0.3 Вольта — это крайне опасная ситуация, которая может привести к необратимым повреждениям и даже риску возгорания. Вот что происходит:

Последствия глубокого разряда ниже 2.5 В

• Химическая деградация: при напряжении ниже 2.5 В начинается разрушение электролита и анода, особенно графитового. Это снижает емкость и увеличивает внутреннее сопротивление.

• Рост литиевых дендритов: при последующей зарядке возможно образование металлического лития, который может пробить сепаратор и вызвать короткое замыкание.

• Потеря емкости: даже если аккумулятор удастся зарядить, его емкость может снизиться на 30–70%.

• Риск вздутия и возгорания: особенно при попытке зарядить сильно разряженный аккумулятор без предварительной диагностики и ограничения тока.

Почему важно контролировать разряд

• В большинстве аккумуляторов установлены платы защиты (PCM), которые отключают нагрузку при достижении критического напряжения (обычно 2.5–2.7 В).

• Без такой защиты, особенно в самодельных схемах, аккумулятор может разрядиться до 0.3 В — это уже глубокая деградация, и его восстановление крайне сомнительно.

Что делать, если аккумулятор разрядился до 0.3 В

• Не пытайтесь сразу заряжать обычным зарядным устройством.

• Используйте лабораторный блок питания с ограничением тока (не более 50–100 мА) и медленно поднимайте напряжение до 3 В.

• После восстановления до 3 В — проверьте емкость, внутреннее сопротивление и температуру при зарядке.

• Если аккумулятор греется, вздувается или не держит заряд — утилизируйте его безопасно.

Обычным мультиметром (тестером) нельзя напрямую измерить внутреннее сопротивление литий-ионного аккумулятора, потому что:

Почему мультиметр не подходит

• Он измеряет сопротивление в цепи, но не может точно определить внутреннее сопротивление аккумулятора , которое зависит от химических процессов и динамики под нагрузкой.

• Внутреннее сопротивление — это динамический параметр, который проявляется при токовой нагрузке, а не в состоянии покоя.

Как можно приблизительно оценить

Есть приближенный способ, но он требует двух измерений:

1. Измерить напряжение без нагрузки (U₀).

2. Подключить нагрузку (например, резистор или лампу) и измерить напряжение под нагрузкой (U₁).

3. Измерить ток нагрузки (I).

Затем рассчитать:

Пример

• U₀ = 4.2 В (без нагрузки)

• U₁ = 4.0 В (под нагрузкой)

• I = 2 А

Это даст приблизительное значение, но для точной оценки используют импедансные анализаторы или специализированные зарядные станции с функцией измерения IR (internal resistance).

Внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов с номинальным напряжением 3.7 В действительно зависит от размера, емкости, химического состава и состояния аккумулятора. Вот как это выглядит в цифрах и зависимости:

Стандартные показатели внутреннего сопротивления (IR)

Тип аккумулятора	Ёмкость (мА·ч)	Размер	IR (милли-Ом) — новый	IR (милли-Ом) — изношенный
18650 (Li-ion)	2000–3500	Ø18×65	20–60	80–150+
14500 (Li-ion)	600–1000	AA	60–120	150–300+
26650 (Li-ion)	4000–5000	Ø26×65	10–30	50–100+
Li-Po (плоский)	500–5000	разный	10–50	80–200+

• 1 Ом = 1000 мОм (миллиом)

От чего зависит внутреннее сопротивление

• Размер: чем больше аккумулятор, тем ниже IR — больше площадь электродов, меньше сопротивление.

• Ёмкость: выше емкость → ниже IR, так как больше активного материала.

• Температура: при низких температурах IR возрастает.

• Состояние: старые, перегретые или глубоко разряженные аккумуляторы имеют повышенное IR.

• Химический состав: LiFePO₄, LTO и другие типы имеют свои диапазоны сопротивлений.

Что означает высокий IR

• Быстрое падение напряжения под нагрузкой.

• Низкая эффективность и повышенный нагрев.

• Потеря емкости и сокращение срока службы.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• источники бесперебойного питания , ибп ,
• химический источник тока ,
• полезная информация об аккумуляторах для ноутбуков ,
• никель-кадмиевый аккумулятор ,
• ремонт цепей аккумулятора в ноутбуке , ремонт ,
• хранение аккумуляторных батарей аккумуляторов акб для мобильной техники ,