литий ионный полимерный аккумулятор

Литий-ионный полимерный аккумулятор... Когда слышу это сочетание, в голове сразу возникает картинка: гибкие, тонкие элементы, готовые для интеграции в самые разные конструкции. И вроде бы, все понятно – гибкость, легкость, свобода формы. Но на практике, как всегда, все сложнее. Часто встречаю заблуждение, что полимерные аккумуляторы – это панацея от всех проблем, связанных с энергоснабжением. Не совсем так. Да, у них есть свои преимущества, но и свои, не менее серьезные, особенности. И вот, помимо теоретических знаний, приходит понимание, что настоящий опыт – это опыт ошибок, неудачных экспериментов и вынесенных из них уроков.

Обзор: полимеры – это не просто 'гибкость'

Полимерные литий-ионные аккумуляторы – это, по сути, разновидность литий-ионных, но с использованием полимерного электролита вместо жидкого. Именно этот переход обеспечивает возможность создания гибких и тонких элементов. На рынке представлено множество типов полимерных аккумуляторов, отличающихся химическим составом катода (NMC, LFP, LCO и т.д.) и анода (графит). Они широко применяются в носимой электронике, гибкой электронике, медицинских устройствах и других областях, где важны компактность и вес. Однако, важно понимать, что гибкость – это лишь один из аспектов. Энергоемкость, плотность энергии, срок службы и безопасность – все это требует тщательного рассмотрения при выборе аккумулятора.

Мы в ООО Электронная технология Дунгуань Юли (https://www.uli-battery.ru/) занимаемся разработкой и производством аккумуляторов уже более десяти лет. И за это время мы столкнулись с широким спектром задач и проблем, связанных с полимерными аккумуляторами. Например, в начале работы, многие клиенты ожидали, что гибкость автоматически означает более длительный срок службы. Это, к сожалению, не всегда так. Полимерные электролиты более чувствительны к механическим повреждениям и температурам, что может привести к снижению производительности и сокращению срока службы.

Почему полимеры менее устойчивы к высоким температурам?

Это один из ключевых моментов. В отличие от жидкостных электролитов, полимерные электролиты имеют более низкую термическую стабильность. При нагревании они могут деградировать, что приводит к увеличению сопротивления и снижению напряжения. Это, в свою очередь, может привести к перегреву аккумулятора и даже к возгоранию. В реальных приложениях, где температура может значительно колебаться, необходимо учитывать этот фактор и использовать аккумуляторы с повышенной термической устойчивостью.

В нашей практике был случай, когда аккумулятор, разработанный для использования в носимом устройстве, начал быстро терять емкость в жаркую погоду. После анализа выяснилось, что полимерный электролит начал разлагаться при температуре выше 40 градусов Цельсия. Это привело к увеличению сопротивления и снижению напряжения. Решение заключалось в использовании аккумулятора с более термически стабильным электролитом и в разработке системы терморегуляции.

Соответствие стандартам безопасности – критически важно

Безопасность – это, безусловно, приоритет. Полимерные аккумуляторы, как и любые другие, должны соответствовать строгим стандартам безопасности. Это касается как самого аккумулятора, так и системы управления батареей (BMS). BMS должна обеспечивать защиту от перенапряжения, переразряда, короткого замыкания и перегрева.

Например, при разработке аккумулятора для медицинского устройства, мы уделяли особое внимание безопасности. Аккумулятор должен был быть защищен от случайного повреждения и от воздействия влаги. BMS должна была обеспечивать непрерывный мониторинг параметров аккумулятора и при необходимости отключать его. Мы использовали несколько уровней защиты и проводили тщательные испытания, чтобы убедиться, что аккумулятор соответствует всем требованиям безопасности.

Типы полимерных аккумуляторов: LFP, NMC и другие

Выбор типа аккумулятора зависит от конкретного приложения и требуемых характеристик. Наиболее распространенные типы: литий-железо-фосфатные (LFP), никель-марганец-кобальт (NMC) и литий-кобальт-оксид (LCO).

LFP аккумуляторы отличаются высокой термической стабильностью и длительным сроком службы. Они менее чувствительны к механическим повреждениям и могут работать в более широком диапазоне температур. Поэтому они идеально подходят для приложений, где важна безопасность и надежность, например, для электромобилей и систем хранения энергии.

NMC аккумуляторы обладают более высокой энергоемкостью, чем LFP, но менее стабильны к высоким температурам. Они используются в основном в портативной электронике, электромобилях и других приложениях, где требуется высокая плотность энергии. Однако, использование NMC аккумуляторов требует более сложной системы управления батареей и более тщательного контроля температуры.

Краткий сравнительный анализ LFP и NMC

| Характеристика | LFP | NMC |

|---|---|---|

| Энергоемкость | Ниже | Выше |

| Термическая стабильность | Выше | Ниже |

| Срок службы | Дольше | Меньше |

| Стоимость | Ниже | Выше |

Выбор между LFP и NMC зависит от компромисса между энергоемкостью, безопасностью и стоимостью. В некоторых случаях, можно использовать комбинацию разных типов аккумуляторов, чтобы достичь оптимального баланса.

Проблемы с деградацией полимерного электролита

Деградация полимерного электролита – это естественный процесс, который со временем приводит к снижению производительности аккумулятора. Этот процесс может быть ускорен высокой температурой, механическими повреждениями и старением. Признаки деградации: снижение емкости, увеличение внутреннего сопротивления и увеличение напряжения холостого хода.

Чтобы замедлить процесс деградации, необходимо соблюдать следующие рекомендации: не допускать переразряда и перенапряжения, избегать механических повреждений, хранить аккумулятор при оптимальной температуре. Также, можно использовать специальные добавки, которые замедляют процесс деградации полимерного электролита.

Реальные кейсы и трудности

В прошлом году мы работали над проектом разработки аккумулятора для беспилотного летательного аппарата. Было необходимо создать легкий и компактный аккумулятор с высокой плотностью энергии. Мы выбрали NMC аккумулятор, но столкнулись с проблемой быстрого разряда при интенсивной эксплуатации. При анализе выяснилось, что NMC аккумулятор перегревается при высоких нагрузках, что приводит к снижению его производительности. Решение заключалось в использовании более эффективной системы терморегуляции и в оптимизации схемы управления батареей.

Еще один интересный кейс – разработка аккумулятора для медицинского устройства, которое должно было использоваться в условиях ограниченного пространства. Было необходимо создать очень тонкий и гибкий аккумулятор, который можно было бы интегрировать в корпус устройства. Мы использовали полимерный аккумулятор с гибкой конструкцией, но столкнулись с проблемой механической устойчивости. Аккумулятор легко повреждался при случайных ударах. Решение заключалось в использовании более прочного полимерного материала и в разработке защитного корпуса.

Заключение

Литий-ионные полимерные аккумуляторы – это перспективное направление, которое имеет большой потенциал для развития. Они обладают рядом преимуществ, таких как гибкость, легкость и компактность. Однако, они также имеют свои недостатки, такие как низкая термическая стабильность и чувствительность к механическим повреждениям. При выборе аккумулятора необходимо учитывать конкретные требования приложения и тщательно анализировать все возможные риски.

Успех в области полимерных аккумуляторов требует не только знания теории, но и практического опыта. Мы, в ООО Электронная технология Дунгуань Юли, продолжаем разрабатывать и совершенствовать технологии производства аккумуляторов, чтобы предложить нашим клиентам лучшие решения.