Akumulatory litowo-polimerowe (Li-Po) – Jak to działa?

Odpowiednie źródło zasilania w robotyce jest niezwykle istotnym zagadnieniem, któremu warto przyjrzeć się z bliska. W większości przypadków robotycy decydują się na akumulatory litowo-polimerowe, które charakteryzują się doskonałymi cechami użytkowymi, w tym wysoką trwałością oraz bezpieczeństwem użytkowania, a także brakiem uciążliwego efektu pamięci. Akumulator to urządzenie w rodzaju ogniwa wtórnego, które można naładować ponownie po wyczerpaniu za pomocą prądu elektrycznego o właściwym natężeniu. Ciekawą cechą akumulatorów jest fakt, iż do uwalniania energii elektrycznej zachodzi poprzez reakcje chemiczne odpowiednie dla danego typu akumulatora. W niniejszym poradniku dowiemy się, czym jest akumulator litowo-polimerowy, jakie funkcje spełnia i dlaczego to właśnie on jest wybierany przez robotyków zdecydowanie najczęściej.

Rodzaje akumulatorów na rynku

Producenci starają się wdrażać nowe pomysły, które (przynajmniej w zamierzeniu) powinny wyprzeć z rynku rozwiązania poprzedniej generacji. Nie dziwi zatem fakt, że różnorodne rodzaje akumulatorów znajdziemy w asortymencie wielu sklepów, które różnią się głównie sposobem uwalniania energii oraz pojemnością wyrażoną w amperogodzinach lub miliamperogodzinach. Warto zaznaczyć, że powszechnie bateriami nazywa się ogniwa elektryczne, które służą do zasilania sprzętów elektronicznych. Są one jednorazowego użytku, w przeciwieństwie do akumulatorów. A więc jakie rodzaje baterii są dostępne?

• Akumulator kwasowo-ołowiowy, stosowany głównie w motoryzacji, charakteryzuje się bardzo niskim kosztem produkcji w stosunku do jednej amperogodziny, dużą masą własną i zdolnością rozładowania dużym prądem przez krótki okres. W niniejszym akumulatorze znajdziemy kwas siarkowy (37%), ołowianą elektrodę (-) z dużą powierzchnią styku (kształt siatki) oraz elektrodę (+) z tlenku ołowiu, a także separator izolujący.
• Akumulator litowo-jonowy jest najbardziej rozpowszechniony w codziennym życiu, gdyż znajduje się w praktycznie każdym przedmiocie elektronicznym, takim jak laptopy, telefony komórkowe i w innych urządzeniach o przenośnym charakterze. Bateria litowo-jonowa posiada wewnętrzną elektrodę, która wykonana została z węgla o porowatej powierzchni, zaś druga – z tlenków metali. Za elektrolit służy ciecz z solami litowymi, ewentualnie ciało stałe. W stosunku do akumulatorów starszej generacji, w wariancie litowo-jonowym nie występuje efekt pamięci (zmniejszenia pojemności akumulatora).
• Akumulator niklowo-kadmowy. Zdecydowanie najrzadziej spotykana forma akumulatora we współczesnym świecie, głównie za sprawą intensywnego efektu pamięci, który wymaga od użytkownika zawsze pełnych cykli ładowania i rozładowania. Ogniwa te znajdziemy głównie z niewielkich akumulatorkach AA i AAA, gdyż mimo wad, akumulator niklowo-kadmowy charakteryzuje się dobrą wydajnością prądową. Elektrody są wykonane z wodorotlenku niklu i kadmu, zaś elektrolit jest silnie zasadowy, lecz jego skład różni się znacząco między producentami.
• Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (NiMH) to nieco lepsza wersja akumulatorów niklowo-kadmowych i charakteryzuje się poprawną trwałością, a także dużą gęstością (nawet 360 MJ/m3). W jednej baterii znajduje się nawet trzykrotnie więcej skumulowanej energii niż w akumulatorze poprzedniej generacji, a przy tym został także (prawie w całości) wyzbyty efekt pamięci, spotęgował się jednak efekt leniwej baterii.
• Akumulator litowo-polimerowy (li-pol) charakteryzuje się połączeniem wszystkich pozytywnych cech powyższych akumulatorów, dlatego warto go rozbić na czynniki pierwsze i poznać zarówno jego budowę, jak i charakterystykę, pracę oraz funkcjonalność.

Jak jest zbudowany akumulator litowo-polimerowy?

To, co warto wiedzieć na samym początku to fakt, iż akumulator litowo-polimerowy stanowi wariant akumulatora litowo-jonowego, a różni się od niego jedynie elektrolitem, który w wersji litowo-jonowej jest płynny, natomiast polimer – stały lub żelowy. Zalety tej formy akumulatora spowodowały, że jest szeroko stosowany w robotyce i urządzeniach codziennego użytku, a z jego właściwości codziennie korzystają miliony konsumentów.

Jak więc wygląda budowa akumulatora? Ogniwo akumulatora litowo-polimerowego jest zbudowane w całości z polimerów przewodzących oraz metalicznego litu, zamkniętych szczelnie laminowaną powłoką. Na froncie znajdziemy dwa wyprowadzenia, mianowicie anodę ze związków grafitu (+) oraz katodę ze związków litu (-). Elektrolit, dzięki stałej lub żelowej postaci, zachowuje swoją pierwotną formę niezależnie od sytuacji, dlatego charakteryzuje się bezpieczeństwem użytkowania i znacznie mniejszym prawdopodobieństwem wystąpienia ryzyka wycieku niebezpiecznej substancji.

Cały akumulator li-po składa się z jednego ogniwa lub z kilku, tym samym poszczególne modele różnią się między sobą ich ilością, a zatem także rozmiarem zewnętrznym i pojemnością. Ogniwo jest częścią składową pakietu, w którym może znajdować się nawet 10 pojedynczych ogniw litowo-polimerowych.

Pakiet to cały akumulator, na który składa się więcej niż jedno ogniwo. Najczęściej w robotyce stosuje się akumulatory w wariancie 2 lub 3-ogniwowym, a pomocna dla konstruktorów okazuje się dodatkowa wtyczka balansera, zawierająca wyprowadzenia ze wszystkich ogniw pojedynczo. To ułatwia prace związane z tworzeniem konstrukcji zaawansowanych technicznie.

Bezpieczeństwo użytkowania baterii li-po

Akumulator litowo-polimerowy jest materiałem, który może w dość łatwy sposób ulec rozszczelnieniu, a w efekcie wybuchowi lub wyciekowi. Z uwagi na fakt, iż elektrolit w postaci polimeru jest stały lub żelowy, to siłą rzeczy tego typu wypadki są znacznie rzadsze niż w akumulatorach, w których elektrolitem jest płynna ciecz. Na żywotność akumulatorów li-po wpływa głównie sposób ich użytkowania.

Zmniejszenie docelowej pojemności może wywołać między innymi rozładowywanie ogniw do napięcia wynoszącego mniej niż 3V, co w większości przypadków prowadzi do upośledzenia ich pracy. Nieco groźniej jest w przypadku przeładowania (pow. 4,2V). Ogniwa po ładowaniu zbyt dużym prąd ulegają uszkodzeniu, co uwidacznia między innymi ich puchnięcie, co może w prostej linii doprowadzić do zapłonu. Co prawda sytuacja taka zdarza się znacznie rzadziej, głównie za sprawą stałej kontroli procesu ładowania przez odpowiednią ładowarkę, lecz i na nią warto się przygotować. Przyczyną zapłonu w takim przypadku może być błędne ustawienie prądu ładowania lub korzystanie z ładowarki robionej osobiście. Dla akumulatorów litowo-polimerowych bardzo istotny jest prąd ładowania i rozładowywania. 

Największym zagrożeniem są jednak problemy natury mechanicznej. Zapalenie się akumulatora może wywołać niewielkie zwarcie na wyprowadzeniach lub typowe uszkodzenia mechaniczne laminatu, co w większości przypadków prowadzi do pożarów, a tym samym do wielu niebezpiecznych następstw. Najmniejszym problemem będzie zniszczenie akumulatora, największym zaś – zajęcie się pożarem pomieszczeń lub budowanej konstrukcji.

Każde zwarcie jest bardzo niebezpieczne i zawsze należy go bezwzględnie unikać. W chwili jego nagłego wystąpienia w akumulatorze następuje bardzo szybki proces rozładowywania, w wyniku czego zwiększa się temperatura i wydzielana jest bardzo duża ilość energii, której nie da się schłodzić. Efektem bywa zapłon. Warto jednak wiedzieć, że zapłonu nie wywoła sama iskra – zwarcie musi być stałe i ciągłe.

Niszczenie akumulatorów litowo-polimerowych bywa także pochodną ich złego użytkowania. Przyczyną uszkodzenia może być między innymi błędne podłączenie akumulatora do odbiornika, co natychmiast uszkadza znaczną część płytki drukowanej i wywołuje zwarcie trwające dłuższy czas, a w efekcie – zapłon. Najgroźniejszym w skutkach uszkodzeniem jest jednak fizyczne przebicie powłoki akumulatora. Następuje wówczas natychmiastowe uwolnienie energii i szybki zapłon przy akompaniamencie dymu.

Oznaczenia akumulatora li-po

Każdy akumulator li-po jest dokładnie opisany kilkoma parametrami, które warto wziąć pod uwagę podczas dokonywania zakupu konkretnego modelu. Parametry akumulatora służą jako możliwość łatwego zidentyfikowania przydatności danego akumulatora w naszym przypadku i zazwyczaj są precyzyjne, a ich wartości nie odbiegają od realnych. Najważniejsze oznaczenia akumulatora to z pewnością:

• Pojemność – parametr, który ma największe znaczenie dla robotyki i wyraża się go w miliamperogodzinach (mAh) lub amperogodzinach w modelach znacznie większych (Ah). Informacja ta mówi nam w sposób bezpośredni o okresie, przez który możemy pobierać prąd o właściwym natężeniu z w pełni naładowanego akumulatora.
• Liczba ogniw – to jeden z najistotniejszych parametrów każdego akumulatora litowo-polimerowego. Przeważnie liczbę ogniw producenci opisują liczbowo i zestawiają z literą S lub P. Litera S oznacza ogniwa połączone szeregowo, zaś P – ogniwa połączone równolegle. Co ciekawe, wiele wariantów mogą łączyć te dwa rodzaje. Dla przykładu parametr 2P oznacza akumulator złożony z dwóch ogniw połączonych ze sobą równolegle, zaś 4S – akumulator o czterech ogniwach połączonych szeregowo. Pakiet złożony z 4 ogniw połączonych szeregowo i dwóch równolegle oznacza się jako 4S2P.
• Prąd ładowania – zazwyczaj ten parametr określa maksymalną wartość prądu, którą można doładować dany akumulator i wyraża się ją we wzorze xC, gdzie x to mnożnik. Dzięki temu możemy w łatwy sposób obliczyć prąd ładowania w sposób zgodny z naszymi założeniami.
• W parametrze wydajności prądowej, oznaczonej literą C i odpowiednią liczbą w skoku co 5, możemy poznać maksymalne natężenie prądu możliwe do pobrania z akumulatora. Liczba poprzedzająca literę C to mnożnik, tak jak w parametrze powyżej, który umożliwia szybkie obliczenie realnej wydajności w amperach. Producenci stosują również zakresy, np. 35-45C co oznacza, że akumulator jest odporny na chwilowe podniesienie prądu do wartości granicznej 45C.

Napięcie akumulatorów li-po

Wydajność prądowa ogniw li-po jest bardzo wysoka (około dwukrotnie wyższa niż baterii niMH), dzięki czemu osiągniemy wysoką sprawność przy stosunkowo niewielkich wymiarach zewnętrznych. Ogniwa mają znamionowe napięcie wynoszące zawsze 3,7V i wówczas pracują najbardziej efektywnie, czyli najdłużej. Maksymalną wartością ogniwa jest 4,2V (nie wolno jej przekraczać pod żadnym pozorem), z kolei najniższą – 3V. Poniżej tej wartości akumulator traci parametry. Da się je jednak odbudować specjalnym rodzajem ładowarki, która ponownie naładuje akumulator prądem o bardzo niskim natężeniu.

W robotyce spotyka się głównie ogniwa połączone szeregowo, rzadziej zaś ogniwa połączone równolegle. Umożliwiają one zmianę napięcia znamionowego na podstawie ilości ogniw połączonych równolegle. Dla przykładu w pakiecie 3S3P otrzymamy napięcie znamionowe wynoszące około 11,1V.

Bardzo często dużym problemem okazuje się nierównomierne napięcie w ogniwie, co nosi nazwę rozbalansowania. Bardzo często jest tak, że napięcie jednej celi może znajdować się bardzo blisko niebezpiecznego pułapu krańcowego 3V. Gdy napięcie znamionowe w danej celi spadnie poniżej tej wartości, akumulator ulegnie uszkodzeniu, aby w pewnym momencie osiągnąć wartość wynoszącą równe 0V. Co ważne, jedna niesprawna cela może spowodować brak możliwości całego pakietu, na który może składać się kilka pojedynczych ogniw. Zdarzenia tego typu są bardzo częste, dlatego stosuje się specjalistyczne balansery, które mają zmniejszyć ryzyko ich występowania.

Czym jest balanser?

Balanser to element elektroniczny, który umożliwia kontrolę napięcia każdej celi z osobna. Pakiet złożony z 2 lub większej ilości ogniw zawiera 2 wtyczki – jedną do pomiaru napięcia na całym pakiecie (połączonych szeregowo), zaś drugą, w postaci wtyczki balansera, do kontroli każdej celi osobno. To właśnie ten element, który jest w stanie uratować pakiet przed nierównomiernym napięciem. Zazwyczaj balansery spotyka się we wszystkich ładowarkach dostępnych na rynku.

Jak wyglądają ładowarki do akumulatorów li-po?

Ładowarki do akumulatorów li-po są znacznie bardziej skomplikowane niż te, które służą do ładowania innych rodzajów baterii. W ich przypadku ładowanie następuje za pomocą metody CC/CV, która polega na szybkim wzroście napięcia do maksymalnego poziomu przy stałym prądzie ładowania. Po osiągnięciu napięcia 4,2V na każdej celi, prąd ładowania stopniowo spada. Zazwyczaj ładowarki są zasilane napięciem sieciowym 230V 50Hz, tym samym w większości nie wymagają stosowania dodatkowego zasilacza.

Na rynku spotkamy także ładowarki mikroprocesorowe, w których za sterowanie przepływem prądu odpowiada układ scalony w postaci mikroprocesora. Takie warianty ładowarek są uwielbiane przez profesjonalnych robotyków. Znajdziemy w nich takie funkcje dodatkowe jak możliwość doboru prądu i jego napięcia czy też ładowanie z balanserem lub z jego pominięciem. Zazwyczaj taka forma ładowarki umożliwia ładowanie wielu rodzajów baterii, a przy tym można dokonywać zapisu kilku ustawień w celu szybszego procesu ładowania baterii różnego typu. Ładowarki mikroprocesorowe monitorują na bieżąco stan wszystkich cel, a przy tym informują o pozostałym czasie do ich pełnego załadowania. Dzięki temu służą także jako element ochronny i zabezpieczający.

Efekt pamięci w akumulatorach litowo-polimerowych

Wiele osób zastanawia się, czy akumulatory litowo-polimerowe są objęte efektem pamięci. Efekt ten mogą wywołać dwie sytuacje, zależne wyłącznie od użytkownika. Efekt pamięci może wystąpić wskutek niedoładowania akumulatora do końca lub podczas rozpoczęcia ładowania akumulatora, który nie jest wyczerpany całkowicie. Wówczas baterie zaczynają przystosowywać się do tych wartości i zmniejszają zakres swojej pracy, często dość znacznie. Sytuacja ta tyczy się jednak wyłącznie akumulatorów Ni-Cd i Ni-MH. Wersje litowo-polimerowe są na ten efekt odporne całkowicie.

Jeszcze kilka lat temu wszyscy żyli w przeświadczeniu, że akumulatory należy “formować”, ustalając tym samym ich pojemność. Należało rozładować baterię do samego końca, po czym ponownie ją załadować aż do pełnego naładowania, czyli zrobić dosłownie pełny cykl. Czynność ta miała sens wyłącznie w przypadku akumulatorów podatnych na efekt pamięci, dlatego nie trzeba jej wykonywać ani w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, ani litowo-polimerowych.

Jak często ładować akumulator li-po?

Wiele mitów narosło również wokół samego doładowywania akumulatorów. Tutaj również pokutuje przeświadczenie przeniesione niepotrzebnie z akumulatorów z efektem pamięci. W akumulatorach litowo-polimerowych wiele się zmieniło, w tym także możliwość doładowywania baterii niezależnie od jej aktualnego stanu naładowania. Co to oznacza? Że akumulator li-po można doładowywać w dosłownie każdej chwili i zupełnie nie martwić się jego żywotnością. Należy jednak mieć na uwadze, że bateria ta (jak każda inna) negatywnie reaguje na zbyt dużą ilość wydzielanego ciepła. Dlatego im sesja ładowania trwa dłużej – tym gorzej dla baterii, zatem znacznie lepiej sprawdzą się krótkie doładowywania niż jedno, trwające wielokrotnie dłużej. Warto wiedzieć, że baterie litowo-polimerowe najlepiej pracują w przedziale 20-80% naładowania. Wartość wyższa lub niższa może spowodować przedwczesne zużycie akumulatora, w tym zmianę jego napięcia znamionowego i pojemności.

Przechowywanie akumulatorów li-po

Duże problemy pojawiają się także przy składowaniu i magazynowaniu akumulatorów litowo-polimerowych, gdyż nie wszyscy wiedzą jak dokładnie to zrobić. Złotym środkiem jest około 40% naładowania. Akumulator, również ten nieużywany, traci napięcie wraz z każdym miesiącem, dlatego co pewien czas warto skontrolować jej aktualny stan i podładować baterię zależnie od potrzeb. Należy także zwrócić dużą uwagę na temperaturę otoczenia. Baterie są na tym polu bardzo wymagające i mogą tracić swoje właściwości podczas przebywania w zbyt wysokiej lub zbyt niskiej temperaturze. Akumulator li-po jest najbezpieczniejszy w zakresie 10-25 stopni Celsjusza. Tylko wtedy zapewnimy mu odpowiednie warunki przechowywania.

Bateria litowo jonowa – budowa

Bateria li-po to akumulator elektryczny, litowo-jonowy, w którym jedna elektroda została stworzona z węgla, a druga z tlenków metali. Są one zanurzone w elektrolitycznej cieczy, zawierającej sole litowe.

Jak działa bateria li-ion?

Występują tu dwa różne rodzaje pracy:

• ładowanie – pobieranie energii elektrycznej przez akumulator
• rozładowanie (praca) – oddawanie zgromadzonej energii danemu urządzeniu.

Ładowanie baterii li-ion

Wiele osób zastanawia się, jak ładować baterie litowo jonowe – przychodzimy z pomocą. Powinno robić się to często, gdyż częste ładowanie przedłuża życie baterii. Najlepiej ładować baterię od razu po rozładowaniu. Jeżeli jednak wiemy, że nie będziemy korzystać z danego urządzenia przez dłuższy czas, to dobrym pomysłem może być rozładowanie akumulatora do poziomu ok. 40%. Nie powinno się przechowywać akumulatora całkowicie rozładowanego, gdyż grozi to jego uszkodzeniem. Bateria litowo-jonowa pierwsze ładowanie powinna więc przejść od razu po rozładowaniu, lecz nie czekajmy do całkowitego jej rozładowania.

Li-po vs li-ion – porównanie

Baterie li-po działają na podstawie technologii li-ion, gdzie zamiast płynnego elektrolitu zastosowano ten w formie polimeru. Wpływa to pozytywnie na elastyczność akumulatorów li-po, które można modyfikować, zmniejszać i dostosowywać do budowy danego urządzenia.

Akumulatory li-ion nie mają tej elastyczności, w związku z czym są wybierane dużo rzadziej i prawdopodobnie będą tracić na popularności.