Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы: в чем различия?
Введение
Литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы — два типа вторичных элементов питания, нашедших широкое применение в электронике, робототехнике, авиамоделизме и энергетике. Оба вида используют литий как основу электрохимической реакции, однако конструктивные отличия между ними определяют различную механику зарядки, форму, плотность энергии и требования к безопасности.
Инженерам и разработчикам важно понимать не только базовые характеристики, но и поведенческие особенности каждого типа. Это особенно критично при проектировании энергоёмких и компактных устройств, требующих точного расчета по весу, размерам, надёжности и тепловым характеристикам.
1. Химическая основа и внутренняя структура
Литий-ионные аккумуляторы используют жидкий электролит на основе литиевых солей в органических растворителях. Внутри находится цилиндрический или призматический корпус с намотанным слоем катода и анода, разделённых сепаратором.
В литий-полимерных батареях используется гелеобразный или твёрдый полимерный электролит. Элементы заключены в плоский гибкий пакет без твёрдого металлического корпуса. Такая структура делает их легче и тоньше, но при этом менее устойчивыми к проколам и перегреву.
2. Форма и габариты
Li-ion чаще всего поставляются в стандартных форм-факторах: цилиндрические (18650, 21700) или призматические. Они удобны для унификации устройств и автоматизированной сборки, но ограничивают свободу проектирования корпусов.
Li-Po отличаются возможностью выпуска практически в любом формате и толщине (от 3 мм). Это делает их популярными в ультратонкой электронике, смартфонах, БПЛА и робототехнике. Гибкость формы позволяет проектировать устройства с учётом сложной геометрии аккумуляторного отсека.
3. Энергетическая плотность
Типичная удельная плотность энергии у Li-ion составляет 180–250 Вт·ч/кг, в зависимости от используемой химии (NCA, NMC, LFP). У Li-Po — 130–200 Вт·ч/кг. Однако за счёт лучшего использования внутреннего пространства, форм-фактор Li-Po иногда позволяет достигать сопоставимой плотности при одинаковых габаритах корпуса.
Li-ion предпочтительнее для устройств с ограничениями по весу и высоким энергопотреблением: ноутбуки, электромобили, ИБП. Li-Po чаще выбирают там, где важна компактность и форма — например, в дронах и медицинской технике.
4. Надежность и безопасность
Li-ion аккумуляторы чувствительны к механическим повреждениям и перезаряду. Их корпуса герметичны, но при пробое или разгерметизации происходит резкое выделение газа и тепла. Современные элементы оснащаются клапанами сброса давления, а схемы БМС — защитой по току, напряжению и температуре.
Li-Po, несмотря на более устойчивый к утечке полимерный электролит, уязвимы к проколам. Повреждение оболочки может вызвать воспламенение. Поэтому они требуют особенно тщательной балансировки и применения защитных оболочек при установке. Многие производители дронов используют армированные отсеки под Li-Po.
5. Зарядка и режимы тока
Оба типа заряжаются по схеме CC/CV, но Li-Po требуют более строгого соблюдения предельного напряжения (обычно 4.20 В, ±0.03 В). Отклонение даже на 0.05 В может вызвать разложение полимера и деградацию.
Рекомендуемый ток заряда — 0.5–1C, однако Li-Po часто поддерживают быстрые режимы до 2–3C. Это особенно актуально в аэромоделизме, где важен быстрый turnaround между полётами. При этом необходим температурный контроль, так как перегрев сильно ускоряет старение ячеек.
6. Срок службы и деградация
Средний ресурс Li-ion составляет 500–1000 циклов при стандартной эксплуатации. С понижением глубины разряда и ограничением верхнего напряжения срок может быть увеличен вдвое. Li-Po имеют меньший срок службы — 300–500 циклов, особенно при высоких токах и глубоких разрядах.
Также Li-Po более подвержены вздутию со временем, особенно при хранении в полностью заряженном состоянии. Поэтому их лучше хранить на уровне 40–60% заряда при температуре +15...+25°C.
7. Вес и механическая устойчивость
Li-Po выигрывают по весу: отсутствие металлического корпуса позволяет снизить массу на 15–30% при той же ёмкости. Это критично в мобильных и аэрокосмических проектах. Однако они хуже переносят удары и деформации — при ударе возможен прокол и короткое замыкание.
Li-ion более надёжны при транспортировке и монтаже, допускают использование стандартных кронштейнов и не требуют внешней защиты, кроме БМС.
8. Применение и отраслевые предпочтения
Li-ion применяются в:
- ноутбуках, смартфонах, планшетах;
- системах ИБП и ESS;
- электротранспорте и электровелосипедах;
- аккумуляторных шуруповёртах и электроинструменте.
Li-Po — в:
- дронах, авиамоделях, RC-технике;
- смарт-часах, наушниках, носимой электронике;
- медицинских устройствах с гибкими корпусами;
- компактных роботах и проектах с ограничениями по толщине.
9. Работа с BMS и балансировка
Оба типа аккумуляторов требуют обязательного использования схем защиты и балансировки. Однако для Li-Po балансировка должна быть более точной и быстрой, так как расхождение в напряжении между ячейками более критично. При превышении 4.25 В может наступить разрушение материала сепаратора.
Современные микросхемы BMS (например, серии bq76952 от TI) поддерживают как Li-ion, так и Li-Po режимы, включая управление балансирующими токами, термоконтроль и протоколы связи CAN/UART.
10. Инженерные рекомендации
- Выбирайте Li-ion для задач с приоритетом энергоёмкости, срока службы и унифицированных размеров.
- Используйте Li-Po при строгих ограничениях по геометрии и весу, но с учётом термозащиты.
- Внедряйте активную балансировку и независимую термозащиту в устройствах с Li-Po.
- Разрабатывайте корпуса с механической защитой от проколов.
- Учитывайте ресурс при задании сроков службы в ТЗ.
Заключение
Оба типа аккумуляторов имеют свои сильные и слабые стороны. Li-ion предлагают стабильность, высокую плотность энергии и длительный срок службы. Li-Po дают гибкость конструкции, лёгкость и высокие токи. Выбор между ними должен основываться на инженерном анализе требований: от массогабаритных параметров и условий эксплуатации до требований к безопасности, ресурсу и бюджету проекта. Компетентный инженер всегда рассматривает не только параметры аккумулятора, но и особенности сборки, БМС и сценарии эксплуатации.