Літій - полімерні (li-pol)

Літій-полімерні (Li-pol) акумулятори
Можливість заміни рідкого органічного електроліту на полімерний, при якому повинна знизитися ймовірність його витоків і збільшитися безпеку роботи літій-іонного акумулятора, вивчалася з самого початку комерціалізації цих джерел струму.

В основі ідеї літій-полімерного акумулятора (Li-pol) лежить відкрите явище переходу деяких полімерів в напівпровідникове стан в результаті впровадження в них іонів електроліту. Провідність полімерів при цьому збільшується більш ніж на порядок. Зусилля дослідників були спрямовані на пошук полімерних електролітів як для літій-іонних акумуляторів, так і для акумуляторів з металевим літієм, теоретично можлива щільність енергії яких у кілька разів більше, ніж у літій-іонних акумуляторів.

До теперішнього часу розроблені і серійно виготовляються літієві джерела струму з електролітами, які можуть бути підрозділені на три групи:
– сухі полімерні електроліти (найчастіше на базі поліетиленоксиду, в який вводяться різні солі Li);
– гель-полімерні гомогенні електроліти, які утворюються при впровадженні в полімер (або суміш полімерів) з солями Li пластифікатора-розчинника;
– неводні розчини солей Li, сорбованих у мікропористої полімерної матриці.

Порівняно з рідкими електролітами у літій-іонних акумуляторах, полімерні електроліти мають меншу іонну провідність, яка до того ж знижується при температурі нижче нуля. Тому проблема розробок Li-pol акумуляторів полягала не тільки в пошуку иммобилизированного електроліту з досить високою провідністю, сумісного з електродними матеріалами, але і розширення температурного діапазону Li-pol акумуляторів.

Сучасні літій-полімерні акумулятори забезпечують питомі характеристики, порівнянні з характеристиками літій-іонних акумуляторів. Завдяки відсутності рідкого електроліту вони більш безпечні у використанні, ніж перезаряджаються літієві джерела струму. Li-pol акумулятор компактні і можуть бути виконані в будь-якій конфігурації. Їх контейнер може бути виконаний з металізованого полімеру.

Робочі щільності струму, однак, незначні, і електричні характеристики Li-pol акумуляторів помітно погіршуються при зниженні температури з-за кристалізації полімеру.

З гель-полімерним електролітом розробляють акумулятори і літій-іонні, і з металевим анодом. Досягнуті досить великі щільності струму і розширення температурного інтервалу роботи дозволяють використовувати такі акумулятори для широкого кола портативної апаратури, стільникових телефонів, ноутбуків, цифрової фото-техніки і т. д.

Акумулятори з гель-полімерним електролітом виробляють багато компаній у всьому світі. Електродні матеріали, рецептури електроліту і технології виготовлення Li-pol акумуляторів різних компаній значно розрізняються. Їх характеристики також різноманітні.

Всі розробники відзначають, що на якість Li-pol акумуляторів і стабільність їх роботи сильно впливає однорідність полімеру, на яку впливають як співвідношення компонентів електроліту, так і температура полімеризації.

Враховуючи, що вже реально показано можливості створення літій-полімерних акумуляторів в широкому діапазоні ємностей, і той факт, що при всіх стандартних тестах на безпеку використання (перезаряд, форсований розряд, коротке замикання, вібрація, розчавлювання і проштрикування цвяхом) Li-pol акумулятори мають істотно більш високі показники в порівнянні з літій-іонними акумуляторами з рідким електролітом. Перспективи серйозного розширення виробництва Li-pol акумуляторів і використання їх в самих різноманітних областях техніки не викликають сумнівів.

З появою елементів літій-полімерних акумуляторних батарей товщиною всього 1 мм перед конструкторами електронних пристроїв відкрилися нові можливості щодо кінцевої форми і розмірів нової апаратури. Були прибрані багато обмежень щодо мікромініатюризації радіоелектронних пристроїв.

Іноді для зниження внутрішнього опору Li-pol батарей, використовують добавку гелиевого електроліту. Більшість літій-полімерних батарей, які застосовуються для живлення мобільних телефонів, насправді є гібридними, що представляють собою щось середнє між літій-іонними і літій-полімерними акумуляторами, і в них використовується гелієвий електроліт.

Яка ж різниця між літій-іонними і літій-полімерними акумуляторними батареями з гелієвим електролітом? Хоча їх характеристики і близькі, в літій-полімерних батарей замість сепараторів використовується твердий електроліт. Доданий у них гелієвий електроліт призначений просто для поліпшення іонообмінних процесів і, таким чином, для зниження внутрішнього опору.

Були проведені порівняльні випробування на безпеку двох типів призматичних літій-іонних акумуляторів: з рідким і гель-полімерним електролітами (див. таблицю). При цьому не приймалося особливих заходів забезпечення безпеки акумуляторів. Акумулятори випробовувалися проколом голкою, нагріванням до 200 °С, коротким замиканням і дуже високим перезарядити (до 600%). Як випливає з таблиці, безпеку літій-іонних акумуляторів з полімерним електролітом набагато вище безпеки акумуляторів з рідким електролітом.

Результати випробувань акумуляторів на безпеку
Вид випробувань Акумулятор з гель-Акумулятор з полімерним електролітом житким електролітом
Прокол голкою Не було змін Вибух, дим, протікання електроліту, підвищення температури до 250°З
Нагрів до 200°С Не було змін Вибух, протікання електроліту
Струм короткого замикання Не було змін Протікання електроліту, підвищення температури на 100°С
Перезаряд (600%) Здуття Вибух, протікання електроліту, підвищення температури на 100°С

Заряд літій-полімерних акумуляторів
Процес заряду літій-полімерних акумуляторних батарей подібний заряду літій-іонних акумуляторних батарей. Літій-полімерні батареї з гелевим електролітом найчастіше класифікують як літій-іонні, і процеси заряду аналогічні.

В даний час велика частина літій-іонних акумуляторів комерційного призначення насправді являє собою літій-полімерні акумулятори з гелієвим електролітом, і літій-полімерні батареї з сухим електролітом поступово будуть витіснені ними.