Liitiumpolümeerakud

Tehnoloogia pidev areng avaldab positiivset mõju paljudele inimeste elu aspektidele. Vajadus suure jõudlusega toiteallikate järele, millel on hea tasakaal ohutuse, hinna ja jõudluse vahel, on viinud liitiumpolümeerelementide loomiseni.

Mis on liitiumpolümeer aku

Li-polümeerakud on galvaanilised toiteallikad, mis kasutavad elektrolüüdina liitiumiga küllastunud polümeermaterjale.

Liitiumpolümeertehnoloogiast on saanud liitiumioonakude arendamise uus etapp, mis on vähendanud nende tootmisprotsessi kulusid ja võimaldanud luua miniatuurseid ja paindlikke akusid.

Selliste akude ostmisel ja kasutamisel on vaja mõista nende märgistusi, millel on järgmised omadused:

• aku mahtuvus on näidatud mAh-des;
• Märgistuses ingliskeelse tähe S kõrval olev number näitab aku üksikute elementide (purkide) arvu, millest igaühe nimipinge on 3,7 volti ja maksimaalselt 4,2 volti;
• C-tähe kõrval olev number näitab maksimaalset voolutugevust C-ühikutes. Maksimaalne tühjendusvool milliamprites tunnis on võrdne aku mahutavusega, mis on korrutatud selle väärtusega;
• P-tähe kõrval olev number näitab paralleelselt ühendatud purkide arvu. Ühe purgi kasutamisel seda väärtust tavaliselt ei märgita.

Seega tähendab tähistus 2600 mAh 3S 20C liitiumpolümeerakut mahutavusega 2600 mAh, nimipingega 11,1 volti (maksimaalselt 12,6 volti), kolme järjestikku ühendatud elemendiga ja lubatud tühjendusvooluga 52 amprit (2600 x 20 = 52000 mA).

Kuidas liitiumpolümeerakusid valmistatakse

Li-polümeer toiteallikate tootmisel kasutatakse järgmist tehnoloogiat:

1. Katoodi ja anoodi aktiivsete materjalidega suspensiooni kontrollitud pealekandmine (kaks erinevat protsessi) viiakse läbi alumiinium- või vaskfooliumi pinnale, mis toimib voolukollektorina.
2. Kantud materjaliga foolium kuivatatakse ja lõigatakse vajaliku suuruse ja kujuga elementideks.
3. Valmistatakse polümeer-elektrolüütide separaator, mis seejärel asetatakse katoodi ja anoodi aktiivsete materjalidega fooliumkihtide vahele.
4. Mitmekihiline aku on kokku pandud, suletud ja kuivatatud.
5. Geel-elektrolüüdi lisamist nõudva polümeerseparaatori kasutamisel täidetakse see vajaliku koguse elektrolüüdivedelikuga.
6. Kontaktpadjad on paigaldatud, pakendatud kaitsekesta sisse ja väljaulatuvad osad on kärbitud.
7. Paigaldatud on välised aku klemmid.
8. Teostatakse kontrolllaadimise/tühjendamise tsükkel ja testimine.
9. Teostatakse tagasilükkamine, sorteerimine mahutavuse järgi ja sobivate märgistuste pealekandmine.
10. Vajadusel joodetakse juhtmed aku klemmide külge.
11. Kvaliteedikontroll viiakse läbi, akuelemendid pakitakse korpusesse, millele kantakse vajalikud märgistused ja pakend.

Liitiumpolümeeraku tööpõhimõte ja struktuur

Li-polümer akude tööpõhimõte põhineb pooljuhtefekti kasutamisel polümeersetes ainetes koos elektrolüüdiioonide lisamisega. Elektrolüüdi lisamine polümeeridele suurendab nende ioonjuhtivust, säilitades samal ajal plastiku isoleerivad omadused elektronide suhtes.

Liitiumioonide suhtes tekkiv elektromotoorne jõud tekib pöörduva keemilise reaktsiooni teel süsinikust (tavaliselt grafiidist) valmistatud anoodi (pluss) ja koobaltist, vanaadiumoksiidist või mangaanist valmistatud katoodi (miinus) vahel, mis asetatakse liitiumisooladega polümeerelektrolüüti.

Polümeer-elektrolüüte on kolme tüüpi:

1. Täiesti kuivad polümeerelektrolüüdid, mis on liitiumisooladega plastist, pakuvad toatemperatuuril madalat voolutugevust, mis on enamiku tänapäevaste seadmete jaoks ebapiisav ja on tavalistest liitiumioonakudest kallimad.
2. Geelilaadsed polümeerelektrolüüdid, mis on kuivad polümeerelektrolüüdid koos plastifikaatorite-lahustite lisanditega, on vastuvõetava mahutavuse, voolutugevuse ja kulunäitajatega ning neid kasutatakse praktikas kõige sagedamini.
3. Liitiumisoolade mittevesilahused, mis on jaotunud mikropoorsesse polümeermaatriksi absorptsiooni teel.

Suurtes kogustes müüdavad LiPo akud on tegelikult hübriidid, mis ühendavad lisaks puhtale kuivale polümeerelektrolüüdile ka väikese koguse geelelektrolüüti, mida leidub ka liitiumioonakudes.

Geel-elektrolüüdi lisamine tahkele polümeer-elektrolüüdile suurendab selle ioonjuhtivust ja elektrilisi omadusi, eriti suureneb töövool väärtuseni, mis on vajalik enamiku tänapäevaste väikeste seadmete jaoks.

Liitiumpolümeeraku: plussid ja miinused

Li-polümeer toiteallikatel on järgmised eelised:

• kõrge energiatihedus massi suhtes, 4-5 korda suurem kui nikkel-kaadmiumakudel ja 3-4 korda suurem kui nikkel-metallhüdriidtoiteallikatel;
• madal isetühjenemisvool ja suur voolutugevus;
• võime luua paindlikke ja väga õhukesi tooteid;
• mäluefekti puudumine;
• pinge hoidmine töötühjenduse ajal vastuvõetavates piirides;
• lai lubatud töötemperatuuride vahemik (-20 kuni +40 kraadi).

Liitiumpolümeerakudel on mõned puudused:

• Tuleoht ülelaadimise/ülekuumenemise korral. Need akud vajavad kaitseelektroonikat, mis jälgib laadimisvoolu ja temperatuuri, ning spetsiaalset laadimisalgoritmi;
• vananemisefekt, mis pikaajalise ladustamise ja töötamise ajal viib mahutavuse vähenemiseni (arvatakse, et aku kaotab igal aastal kuni 20% oma mahutavusest);
• sügava tühjenemise (alla 3 volti) tõttu tekkinud rike;
• hirm ülekuumenemise ees üle 60 kraadi ja üle 4,2 voldi ülelaadimise (pingel üle 4,5 volti on plahvatus võimalik);
• Õhukese kesta (tavaliselt fooliumi kujul) kasutamine mõnes neist akudest vähendab Li-polümerisatsiooni elementide maksumust, kuid samal ajal vähendab nende tugevust.

Kus kasutatakse Li-polümeraasi akusid

Seda tüüpi toiteallikat kasutatakse oma kerge kaalu ja suure võimsuse tõttu laialdaselt väikeste ja suurte seadmete toiteks, sealhulgas:

• mobiiltelefonid ja nutitelefonid;
• raadio teel juhitavad mudelid, kvadrokopterid, mikrolennukid;
• elektriline tööriist;
• digitaaltehnoloogia, ultrabookid;
• Elektrisõidukid.

Li-polaarakude kasutusreeglid

Nõutava ohutustaseme tagamiseks ja hooldatavate akude kasutusea pikendamiseks tuleb järgida järgmisi reegleid:

1. Kui patareid on kahjustatud või paisunud, ei saa neid kasutada ja need tuleb ära visata;
2. Akusid tuleb laadida kvaliteetse laadijaga järelevalve all, vältides aku ülekuumenemist. Kui laadimise ajal tekib kõrbemislõhn, paisumine või süttimine, tuleb laadimine koheselt peatada ja aku laadijast lahti ühendada.
3. Parem on laadida mittesüttival pinnal, näiteks keraamilisel plaadil või portselanist taldrikul; pärast toiteallika täielikku laadimist on parem lasta sel jahtuda ja alles siis hakata seda kasutama;
4. Ärge lubage tühjenemist alla 3 voldi, ülekuumenemist ega ülejahtumist, mis vähendavad mahtuvust ja laadimis-tühjendustsüklite koguarvu;
5. LiPo-akude pikim kasutusiga saavutatakse nende laetuse taseme hoidmisega 45% juures;
6. LiPo akude parim laadimisrežiim toimub Sony laadijatega umbes kolme tunni jooksul. See toimub kolmes etapis:
   • Esiteks laaditakse umbes tunni jooksul kuni 70% -ni konstantse vooluga 0,5–1 aku väljundvoolust pingeni 4,2 volti;
   • Laadimine kestab 1 tunni kuni 90%-ni pingega kuni 4,2 volti ja järk-järgult väheneva voolutugevusega (umbes 0,2-ni voolutugevusest);
   • Kolmandas etapis laaditakse tund aega kuni 100% väikese, pidevalt väheneva vooluga.

Odavad laadijad lõpetavad laadimise esimeses etapis, kui pinge ulatub 4,2 V-ni, seega aku ei saavuta täismahtuvust.

• Ärge laske akul saada lööke, lühiseid ega väga suure voolutugevusega tühjenemisi ega ülelaadimist üle 4,2 voldi liitaku elemendi kohta – kõik need tegurid võivad põhjustada tulekahju;
• Kui kasutatakse mitmest Li-pol elemendist koosnevaid liitakusid, on parem neid laadida eraldi või kasutada iga elemendi jaoks spetsiaalset tasakaalustavat laadimist. Sellise seadme tööpõhimõte on üksikute elementide laadimise lõpetamine, kui nende pinge on umbes 4,17 volti;
• Enne uute akude kasutuselevõttu on parem need kalibreerida, laadides ja tühjendades need kaks korda täielikult.

Mõnedes Li-polümeraasi akutes on alla 2,5-voldise tühjenemise korral võimalik liitiummetalliseerumine, mis viib aku sisse juhtivate sildade tekkimiseni ja lühise tekkeni. Sellise aku laadimisel toimub kontrollimatu kuumenemine, mis võib viia sellise toiteallika plahvatuseni. Seetõttu on parem mitte kasutada akusid, mille pinge on langenud alla kriitilise taseme 3 volti, ja kui pinge langeb 2,5 voldini ja alla selle, kuuluvad need kohustuslikule utiliseerimisele.

Kuidas liitiumpolümeerakusid säilitada

Laetud LiPo akusid on soovitatav hoida toatemperatuuril kaitsvates ümbristes, kui neid laaditakse pingega 3,6–3,8 volti.

Enne LiPo elementide hoiustamist on soovitatav need laadida 40–50% ulatuses, lahti ühendada seadmetest, mida nad toidavad, ja perioodiliselt, vähemalt kord kuue kuu jooksul, kontrollida laetuse taset.

Liitiumpolümeerakude ringlussevõtt

LiPo toiteallikate utiliseerimine on eriti oluline nende suure tuleohu tõttu. Need on vähem mürgised kui nikkel-kaadmiumakud, kuid sisaldavad siiski keskkonnale kahjulikke aineid.

Liitiumpolümeerakude täielikuks ja ohutuks utiliseerimiseks tuleb täita järgmised nõuded:

• Tühjenenud patareid visatakse umbes 2 nädala jooksul (kuni gaaside teke peatub) mitteelamurajoonis plastmahutitesse vee-soolalahusega (umbes pool klaasi soola 1 liitri vee kohta). Pärast seda saab need tavalise prügiga ära visata;
• Enne utiliseerimist tuleb patareid tühjendada vähemalt ühe voldini (seda saab teha koormusena lambipirni abil);
• Kui aku korpus on kahjustatud, ei tohiks seda tühjendada, vaid pigem vee-soolalahuses utiliseerida;
• kui tühjenemine toimub vooluga, mis on suurem kui maksimaalse voolutugevusega C seotud lubatud väärtus, tuleb aku asetada liivaämbrisse või muusse tule eest kaitstud kohta;
• Soolalahuses töötlemata akude mehaaniline hävitamine ei ole lubatud, kuna see võib põhjustada tulekahju. Eriti ohtlikud on selles osas koobaltkatoodiga akud.