17

Nowa generacja

akumulatorów i baterii

L

iczne publikacje prasowe, zw³a-

szcza w dodatkach naukowych ga-

zet codziennych, informuj¹ o nowe-

go typu akumulatorach i bateriach

do sprzêtu przenoœnego (w prasie to wszyst-

ko oczywiœcie ”baterie”, czasem ”baterie wie-

lokrotnego u¿ytku”, ale polskich okreœleñ P.T.

Autorzy nie znaj¹). S¹ to akumulatory i bate-

rie litowo-polimerowe. Maj¹ one wiêksz¹ po-

jemnoϾ i mniejsze rozmiary od obecnie sto-

sowanych Li-Ion i NiMH (NiCd ustêpuj¹ pola

z powodu efektu pamiêciowego), a szczegól-

nie mog¹ byæ bardzo cienkie i mo¿na je wte-

dy zginaæ. S¹ to parametry o pierwszoplano-

wym dziœ znaczeniu dla szybkiego rozwoju

sprzêtu przenoœnego _ zw³aszcza telefonów

komórkowych, laptopów i PDA. Pojemnoœci s¹

4 i wiêcej razy wiêksze ni¿ w takich samych

wymiarowo akumulatorach Li-Ion (litowo-jono-

wych), o NiMH nie wspominaj¹c. Mimo do-

brych parametrów nie widaæ jednak objawów

szybkiego wypierania dotychczas stosowa-

nych rozwi¹zañ, bo cena wyrobu jest ci¹gle za

wysoka choæ produkcjê akumulatorów i bate-

rii litowo-polimerowych prowadzi ju¿ kilka firm.

Czego w prasie nie da siê znaleŸæ, to: jak to jest

zbudowane, jakie s¹ parametry, mo¿liwoœci

i ograniczenia. A wiêc, do dzie³a.

Bateria litowo-polimerowa (rys. 1) lub aku-

mulator litowo-polimerowy sk³ada siê z dwóch

elektrod – anody i katody oraz umieszczo-

nego miêdzy nimi elektrolitu w formie sta³ego

polimeru. Po obu zewnêtrznych stronach tej

”kanapki” s¹ umieszczone metalowe (stal ni-

klowana) kolektory pr¹du – dodatni i ujemny,

które pe³ni¹ funkcjê elektrod zewnêtrznych.

Ca³oœæ jest uszczelniona po bokach. Uszczel-

nienie to – oprócz izolacji elektrycznej – chro-

ni element przed przedostaniem siê do œrod-

ka wody, które mog³oby mieæ przykre skutki ze

wzglêdu na silne powinowactwo litu do wody.

Choæ nic nie wycieka, to karty katalogowe

zawieraj¹ zakaz brania baterii i akumulatorów

do ust. Uszczelnienie musi te¿ wytrzymywaæ

AKUMULATORY I BATERIE

LITOWO-POLIMEROWE

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 12/2001

r

ELEKTRON

IKA w RÓ¯NYCH ZASTOSOWANIACH

obci¹¿enia, wystêpuj¹ce przy giêciu baterii,

a mo¿liwoœæ wyginania i instalowania w formie

wygiêtej to jedna z nowych cech u¿ytkowych

tych elementów. Nowe s¹ te¿ materia³y two-

rz¹ce ten znany od dawna uk³ad.

Decyduj¹ce znaczenie ma elektrolit w formie

sta³ego polimeru – wynalazek, który umo¿liwi³

stworzenie baterii litowo-polimerowych. Lata

trwa³o zreszt¹ opracowanie takich rozwi¹zañ

polimeru, które stabilnie przewodzi³yby pr¹d

w temperaturach pokojowych – pierwsze roz-

wi¹zania wymaga³y np. podgrzania baterii...

Przy tej samej ogólnej zasadzie konstrukcyj-

nej, akumulatory (ang. secondary batteries)

i baterie (primary batteries) ró¿ni¹ siê mate-

ria³ami katody i anody, a tak¿e uzyskiwanymi

parametrami elektrycznymi. Akumulator zawie-

ra katodê z dwutlenku litowo-kobaltowego

oraz anodê wêglow¹, oddzielone od siebie

warstw¹ sta³ego elektrolitu polimerowego.

wywanie na gor¹co w karcie inteligentnej. Tak

np. litowa bateria do kart inteligentnych 86

x 54 mm i gruboœci 0,76 mm (wymiary bate-

rii: 22,3 x 29,3 x 0,3 mm, pojemnoϾ znamio-

nowa 30 mAh) wytrzymuje 170

ο

C przez 20 s,

140

ο

C przez 15 minut, a 100

ο

C jest maksy-

maln¹ temperatur¹ robocz¹. Najni¿sza tempe-

ratura robocza wynosi _40

ο

C.

Akumulator ma napiêcie znamionowe

3,6 V i wytrzymuje przeciêtnie 500 cykli ³ado-

wania. Napiêcie ³adowania wynosi 4,1 V na

komórkê, standardowy pr¹d ³adowania wy-

nosi na ogó³ 40% C (pojemnoœci) a maksymal-

ny – 80% C. Akumulatory ³aduje siê w tempe-

raturze 0

÷

45

ο

C do osi¹gniêcia spadku pr¹du

³adowania do wartoœci 0,08

÷

0,1% C. Standar-

dowy pr¹d roz³adowania jest równy standar-

dowemu pr¹dowi ³adowania, koñcowe napiê-

cie roz³adowania wynosi 2,7 V.

Wrêcz niesamowita jest wytrzyma³oœæ techno-

klimatyczna baterii LiMnO

2

. Bateria do karty

wytrzymuje, bez szkody dla parametrów , np.

10 000 jednokierunkowych zgiêæ o promieniu

90 mm, 5 minut nacisku 100 kg na ca³¹ po-

wierzchniê (trudno rozdeptaæ), 1000 skrêceñ

jednokierunkowych o 15

o

i dwukierunkowych

o 30

o

równie¿ w temperaturze –20

o

C.

Na rys. 2 przedstawiono charakterystykê roz-

³adowania baterii litowej (Yuasa CS3603)

o wymiarach i pojemnoœci podanych wy¿ej.

Roz³adowanie w temperaturze 20

o

C przy re-

zystancji obci¹¿enia 68 k

Ω

do osi¹gniêcia

napiêcia koñcowego 2,5 V trwa a¿ 800 h;

przy 30 k

Ω

bêdzie to 350 h. Niewielkie s¹

zmiany charakterystyk roz³adowania w funk-

cji temperatury (rys. 3).

Baterie i akumulatory litowo-polimerowe s¹

produkowane nie tylko w formie cienkich list-

ków, ale równie¿ w standardowych rozmiarach

(R-6, R-20 itd). Jako akumulatory do samo-

chodów elektrycznych – chyba nieprêdko, ze

wzglêdu na koszty. Cienkie baterie s¹ zapra-

sowywane w aktywnych kartach identyfikacyj-

nych i wejœciówkach ró¿nego rodzaju, aktyw-

nych identyfikatorach, systemach kontroli

i nadzoru, kartach do automatycznych op³at

(karta parkingowa czy autostradowa), aku-

mulatory stosuje siê do zasilania profesjonal-

nych urz¹dzeñ przenoœnych pomiarowych

i radiokomunikacyjnych pracuj¹cych w niskich

i wysokich temperaturach. Jak na razie, nie

spotkaliœmy siê z ofert¹ szerokiego zastoso-

wania. Trzeba poczekaæ na obni¿kê kosztów

.

(lk)

n

Katoda

Uszczelnienie

Anoda

Ujemny kolektor pr¹du

Sta³y element

polimerowy

Dodatnik kolektor pr¹du

0,2 ~ 0,3 mm

Rys. 1. Przekrój baterii litowo-polimerowej

4,0
3,5

3,0

2,5

2,0

1,5
1,0

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0 200 400 600 800 1000

0 200 400 600 800 1000

Rys. 2. Charakterystyka roz³adowania baterii LiMnO

2

Bateria to anoda litowa i katoda z dwutlenku

manganu jak na rys. 1 (st¹d te¿ spotykane

czêsto okreœlenie ”bateria LiMnO

2

”), oddzie-

lone warstw¹ elektrolitu polimerowego. Napiê-

cie znamionowe baterii wynosi 3 V, osi¹gana

gêstoœæ energii przekracza 200 Wh/kg. Od

elementów dotychczas u¿ywanych baterie

i akumulatory litowo-polimerowe odró¿niaj¹

siê te¿ na korzyœæ ze wzglêdu na znacznie

wy¿sze dopuszczalne temperatury pracy. Od-

nosi siê to nie tylko do warunków eksploata-

cyjnych, ale i do procesów technologicznych,

w których bateria bierze udzia³, np. zapraso-

czas roz³adowania [h]

Czas roz³adowania [h]

Rezystancja obci¹¿enia: 68 k

Ω

Rys. 3. Zmiany charakterystyki

roz³adowania dla ró¿nych

temperatur

U

[V]

U

[V]

R = 68 k

Ω