Vai Li-Po gūs izplatību?

Kā akumulatori, tā baterijas pārveido ķīmiskās reakcijas enerģiju elektriskajā enerģijā. Stingri ņemot, tikai akumulatori ir uzlādējamas ierīces, bet baterijas paredzētas vienreizējai lietošanai. Taču akumulatoru pamatcelles saslēdz baterijās un arī baterijas (faktiski akumulatori) dažreiz tiek angliski apzīmētas kā uzlādējamas ierīces (rechargeable battery). Tādēļ lietosim šos terminus gandrīz kā sinonīmus, tomēr uzsverot, kad baterija paredzēta vienreizējai lietošanai.

Tikai nedaudz vairāk kā pirms 200 gadiem Pāvijas universitātes fizikas profesors Alesandro Volta sarindoja vara, tūbas, cinka, atkal vara, tūbas, cinka utt. ripiņas stikla caurulē un uzlēja tām ieskābinātu ūdeni. Tika izgudrota pirmā elektriskā baterija jeb galvaniskais elements (līdzstrāvas avots). Tika likti pamati elektrības zinātnei. Šo, t. s. Volta stabu, kā barošanas avotu izmantoja tikai pirmie telegrāfa izgudrotāji. Ilgi tam nebija liela noieta.
Tikai 1868. gadā Georgs Leklanšē izgudroja uzlabotu galvanisko elementu no cinka, ogles stienīša un mangāna dioksīda amonija hlorīda šķīdumā. Divu gadu laikā uzņēmīgais franču inženieris radīja firmu, kas saražoja 20 000 elementu, kurus ātri izpirka telegrāfa kompānijas.
Pilnveidojot Leklanšē elementu, 1888. gadā vācu pētnieks Gasners izgudroja mums zināmo sauso bateriju (piemēram, R6, AA u. c.) priekšteci, šķidro elektrolītu aizvietodams ar atbilstoša sastāva želeju.

Pašlaik dažādu elektroniekārtu barošanai visplašāk izmanto: niķeļa-kadmija (Ni-Cd), niķeļa-metāla hidrīda (Ni-MH) un litija-jonu uzlādējamos akumulatorus. Pirmo trūkums ir t. s. atmiņas efekts, kura cēlonis – īpaši virsmas lādiņi. Tos lādēšanas ierīce izprot kā papildinājumu līdz pilnai uzlādei – tādēļ pārtrauc lādēšanu. To dažkārt izdodas likvidēt ar lielas strāvas izlādi, tūdaļ gan uzlādējot ierīci no jauna. Abi pēdējie akumulatoru veidi ir dārgāki, satur indīgas substances un tālab pēc galīgas iztukšošanās būtu organizējama to atpakaļnodošana. Darbiņš zaļajiem!

TV reportieriem, protams, savām skatu šaujamām kamerām un kamkorderiem (videokameras un videomagnetofona apvienojums) izdevīgāk izmantot uzlādējamos akumulatorus – tos pašus, kurus lieto mobilo telefonu īpašnieki, tikai ar lielāku enerģijas ietilpību (skat. 1. tabulu). Bieži šiem barošanas avotiem tiek pierīkoti voltmetri ērtākai tukšināšanās kontrolei vai īpaši sensori, kuri lādētājierīcei pasaka priekšā nepieciešamā akumulatora uzlādes cikla optimizētu režīmu. Dažreiz izgatavotāji tos pat aprīko ar datora interfeisu, lai pierakstītu, uzglabātu, aplēstu un optimizētu visus lādēšanas ciklus.
Kā redzams no 1. tabulas 2. pozīcijas, arī mūsdienās dažos gadījumos elektronisko iekārtu barošanai izmanto sen izgudroto svina akumulatoru. Tā priekšrocība ir lielā enerģijas atdeve (skat. 2. tabulu), bet trūkums – nelielais energosvars (30–40 Wh/kg) un ekspluatācijas neērtības, sevišķi, ja to nelietojam, galvenokārt šķidrā elektrolīta (atšķaidīta sērskābe), kā arī elektrolīta - svina savstarpējās agresivitātes dēļ. Taču automobiļos tam joprojām nav konkurenta!

Līdznēsājamo elektronisko iekārtu un mazizmēra aparātu daudzums palielinās. Tiem visiem nepieciešami barošanas avoti, pie kam tiem jābūt kompaktiem, ērtiem un viegliem, ar lielu enerģijas atdevi. Šķiet, pēdējais modes kliedziens, kas satraucis lielos koncernus, akumulatoru un bateriju izstrādātājus, ir t. s. litija polimēru akumulators (turpmāk Li-Po). Tāpat kā slavenais amerikānis T. A. Edisons pagājušā gadusimteņa sākumā, gudrojot jauno Fe-Ni akumulatoru, veica 10000 izmēģinājumu un pēc laikabiedru aprakstiem, viņa acis redzēja tikai akumulatorus, tāpat, šķiet, kas līdzīgs sācies Li-Po izstrādātāju laboratorijās. Sācies Li-Po izstrādāšanas bums!
Taču šo jauno barošanas avotu var izmantot ne tikai elektroniskām ierīcēm. Jau pētījumu sponsoru nosaukumi – General Motors, Ford, Crysler – daudz ko izsaka. Turklāt neveselīgu konkurenci pētījumos cenšas novērst ASV Autobūvētāju stratēģiskā alianse (USCAR).
Pašlaik var apgalvot tikai sekošo:
· ja Li-Po akumulatoru energosvars vatstundās uz kilogramu pieaugs tāpat kā, piemēram, Dienvidkorejas firmas KOKAM 33,5x64 mm baterijai, palielinot tikai tās biezumu no 3,65 līdz 5,7 mm (1. un 2. zīm.);
· ja pārējie akumulatora galvenie parametri, piemēram, ietilpība, t. i., elektrības daudzums, ko baterijas celle atdod izlādē, enerģijas atdeve, ciklu skaits, temperatūras diapazons u. c. nepasliktināsies;
· tad, sasniedzot praktisko energosvaru 200 Wh/kg un vairāk, kļūs iespējama plaša Li-Po akumulatoru izmantošana arī elektroautomobiļa piedziņai.
Elektroautomobilis, kurš izgudrots gandrīz vienlaikus ar iekšdedzes dzinēja auto, izmantojot svina-skābes akumulatoru baterijas ar 35 Wh/kg, spēj nobraukt aptuveni 160 km ar vienu akumulatoru uzlādi. Ar Li-Po akumulatoriem ar 200 Wh/kg šis attālums var būt jau gandrīz 500 km. Tas jau ir samērojams ar parastā automobiļa tankošanās ciklu, un tas var stimulēt strauju šo spēkratu attīstīb - sevišķi tad, ja pieaugs naftas cenas.

Li-Po akumulatoru priekšrocības
Pēc interneta reklāmziņojumiem, šīs priekšrocības var sakārtot šādi:
· augsta drošība;
· plānāki un vieglāki;
· lielāks praktiskais energosvars (3. zīm.);
· vienkāršs iepakojums;
· iespējami dažādi izmēri un ģeometriskās formas;
· bez tilpumpampuma darbības procesā.

Kā izriet no KIST (Korea Institute of Science and Technology) Dienvidkorejā sniegtās informācijas, Li-Po akumulatoru elektrolīts ir poliakrilnitrils – tātad polimērs. Tā ir atšķirība no Li-jonu baterijām, kurās elektrolīts ir šķīdums. Li-Po sastāv no daudzslāņu (5–6 slāņi) 100 µm biezas folijas, kas sastāv no metāliska katoda, elektrolīta, litija anoda un izolējošiem slāņiem. Foliju var satīt dažādās konfigurācijās.

Turpretī Matsushita firmā (Japāna) izstrādātā Li-Po baterija sastāv no kobalta oksīda - litija folijas katoda, folijētas ogles anoda un tikpat plānā kārtiņā veidota polimēra elektrolīta, kurš izvietots starp anodu un katodu. Elektrolīts vienlaikus kalpo kā separators. Želejas tipa elektrolīts nodrošina elastīgu barošanas avota pakojumu.

Cietā polimēra elektrolīta īpašības:
· liela elektrovadāmība < 10-3 S/cm (25°C);
· labāka adhēzija ar anodu un katodu;
· labas īpašības spēcīgā izlādē;
· labas īpašības plašā temperatūru intervālā (-10°C...+90°C);
Te gan jāpiezīmē, ka pašlaik KIST izstrādātais Li-Po akumulators paredzēts temperatūras intervālam +20°C...+60°C, jo augstākās temperatūrās sāk samazināties enerģijas atdeve.

Citu ceļu gājuši japāņu pētnieki no NEC Moli Energy Corporation un FMRL (Functional Materials Research Labs), kas attīstījuši jaunu polimēru akumulatoru klasi [2, 3]. To jāuzskata par Li-jonu un Li-Po akumulatoru hibrīdu, jo tam elektrolīts ir šķidrums, kas pēc sastāva analogs Li-jonu akumulatoru elektrolītam. Šis akumulators ir ar lielu enerģijas ietilpību, saglabā darbspējas ļoti plašā temperatūras diapazonā (-20°C...+60°C), turklāt ietilpība (kapacitāte) pēc 500 izlādes-uzlādes cikliem saglabājas lielāka par 70 procentiem. Polimēri tiek izmantoti ne tikai kā darbīgais akumulatora celles materiāls: nomainot alumīnija plānā skārda iepakojumu ar vieglu daudzkārtainu polimēru apvalku, izdevās palielināt akumulatora energosvaru līdz 160 Wh/kg, kas jau raksturīgs Li-Po cellēm (3. zīm.).
Pati celles struktūra ir šāda. 120 µm slāņainā folija sastāv no vairākām kārtām: no metāliskas folijas, kas apstrādāta ar katoda materiālu (LiMn2O4) un grafīta folijas, kas kalpo kā anods. Starp tām iestarpināta mikroporaina separatora folija, kas prizmatiski satīta jerry-roll konfigurācijā. Slāņaino foliju vakuumā izsusina, piesūcina ar elektrolītu un, zem spiediena karsējot temperatūrā, kas lielāka par noslēdzošā polimēra kušanas punktu, sapresē. Akumulators ir gatavs! Tā izlādes līknes parādītas 4. zīm.
Uzlādēšanas režīms CCCV, 1650 mAh/4,2 V, 2 h. Izlādēšanas strāvas (mA!) parādītas zīmējumā. Izlāde pieļauta līdz 3,0 V. Katrā izlādes strāvu režīmā dotas divas līknes – parastam un tehnoloģiski uzlabotam IML 340965 tipa akumulatoram. Pēc 20 min. atpūtas celles EDS atjaunojas līdz 3,5÷3,8 V.

Li-Po akumulatorus jau izmanto Ericsson T28S un Motorola V3688 mobilajos tālruņos, kas deva iespēju samazināt to masu gandrīz līdz spalvas svaram – atbilstoši 83 un 72 g! Ieguvums ir arī Li-Po akumulatoru iespējami dažādie ģeometriskie izmēri. Tagad projektētājiem nav vairs jārēķinās ar noteiktas formas tilpumu! Ir cerības, ka tuvākajā laikā ar Li-Po akumulatoriem tiks aprīkoti arī kamkorderi un videokameras.

Bez pieminētās Dienvidkorejas firmas Kokam un Japānas Matsushita un NEC nopietni pie Li-Po akumulatoru ražošanas un pilnīgošanas ķērušies amerikāņi: Lithium Technology, Valence Technology, 3M, EPRI (Electric Power Research Institute), Motorola, GM Delphi Automotive Systems (visas ASV), kā arī Hydro-Quebec (Kanāda). Diemžēl par Eiropas firmām (izņemot Ericsson) autoram datu nav.

· Ericsson turpmāk pievērsīs uzmanību Li-Po akumulatoriem, baterijām (akumulatoriem), kuras uzlādējamas lielā ātrumā – 30 s (kaut arī ar mazāku ietilpību kā pašreizējām), kā arī saules baterijām.
· Motorola pašlaik izstrādā vienreizējas lietošanas baterijas ar 10 reižu lielāku enerģijas ietilpību. Tās paredzētas klēpjdatoriem un mobiliem telefoniem. Tiek attīstītas arī 2,5 mm plānas 125 mm2 baterijas ar šķidru metanolu, kas, savienojoties ar skābekli, dos nepieciešamo elektroenerģiju. Tās Motorola (sadarbībā ar Los Alamosas Nacionālo laboratoriju) gan sola ne ātrāk kā pēc 3÷5 gadiem.
· Firma Electric Fuel izstrādā efektīvākas baterijas, bet arī vienreizējai lietošanai, dažādām elektroniskām iekārtām ar 3,3 Ah ietilpību (salīdziniet ar 0,7÷0,9 Ah, ko izmanto pašreiz!). Tās būs t. s. cinka-gaisa (Zinc-air) baterijas, jo darbībai nepieciešamais skābeklis tiks ņemts no atmosfēras.

Arnolds VĪTOLS