Lithium-iontové li-ion baterie. Typy lithium-iontových baterií (Li-ion)

Spotřebitelský trh s lithium-iontovými (Li-ion) bateriemi je obrovský, kolem 10 miliard USD, a je poměrně odolný, roste pouze o 2 % ročně. Ale co elektromobily, ptáte se? V nadcházejících letech se v důsledku vývoje elektrických vozidel předpokládá roční míra růstu lithium-iontových baterií 10 %. Překvapivě největší oblast růstu trhu Li-ion baterie stále zůstává „vše ostatní“, od mobilní telefony a vysokozdvižnými vozíky konče.

„Další“ aplikace pro lithium-iontové baterie mívají jedno společné – jde o zařízení, která jsou napájena utěsněnými olověnými akumulátory (SLA). Olověné baterie zaujaly vedoucí postavení na trhu s elektronikou již téměř 200 let, ale na několik let byly z trhu vytlačeny lithium-iontovými bateriemi. Vzhledem k tomu, že v mnoha případech lithium-iontové baterie začaly nahrazovat olověné baterie (akumulátory), stojí za to porovnat tyto dva typy energetických zásobníků s důrazem na hlavní technické vlastnosti a ekonomickou proveditelnost použití Li-ion místo tradičních SLA zařízení. .

Historie aplikací baterií

Olověná baterie byla první dobíjecí baterie vyvinutá pro komerční použití v 50. letech 19. století. I přes poměrně slušný věk více než 150 let jsou stále aktivně využívány v moderní zařízení. Kromě toho se aktivně používají v aplikacích, kde se zdá, že je docela možné obejít moderní technologie. Některá běžná zařízení intenzivně využívají SKB, jako jsou zdroje nepřerušitelný zdroj energie(UPS), golfové vozíky nebo vysokozdvižné vozíky. Překvapivě trh s olověnými bateriemi stále roste pro určité výklenky a projekty.

První významná inovace v technologii olova a kyseliny přišla v 70. letech 20. století s vynálezem uzavřených SBC nebo bezúdržbových SBC. Tato modernizace spočívala ve vzhledu speciálních ventilů pro vypouštění plynů při nabíjení / vybíjení baterií. Použití zvlhčeného separátoru navíc umožnilo provozovat baterii v nakloněné poloze bez úniku elektrolytu.

SKB nebo anglicky. SLA jsou často klasifikovány podle typu nebo aplikace. V současné době jsou nejběžnější dva typy: gel, také známý jako ventilem regulovaná olověná kyselina (VRLA) a absorpční skleněná rohož (AGM). Baterie AGM se používají pro malé UPS, nouzová světla a invalidní vozíky, zatímco VRLA se používají pro větší aplikace, jako je záložní napájení pro mobilní věže, internetová centra a vysokozdvižné vozíky. Olověné baterie lze také klasifikovat podle následujících kritérií: automobilové (startér nebo SLI - startování, osvětlení, zapalování); trakce (trakce nebo hluboký cyklus); stacionární (nepřerušitelné zdroje napájení). Hlavní nevýhodou SLA u všech těchto aplikací je životní cyklus – při opakovaném vybíjení dochází k jejich vážnému poškození.

Překvapivě byly olověné baterie nesporným lídrem na trhu baterií po mnoho desetiletí, až do příchodu lithium-iontových baterií v 80. letech 20. století. Lithium-iontová baterie je dobíjecí článek, ve kterém se ionty lithia během vybíjení pohybují ze záporné elektrody na kladnou a během nabíjení naopak. Lithium- iontové baterie používejte interkalované sloučeniny lithia, ale neobsahují kov lithia, který se používá v jednorázových bateriích.

Lithium-iontová baterie byla poprvé vynalezena v 70. letech minulého století. V 80. letech byla na trh uvedena první komerční verze baterie s katodou z oxidu kobaltu. Tento typ zařízení měl výrazně větší hmotnost a kapacitní možnosti ve srovnání se systémy na bázi niklu. Nové lithium-iontové baterie přispěly k obrovskému růstu trhu mobilních telefonů a notebooků. Zpočátku, kvůli obavám o bezpečnost, více než bezpečné možnosti, která zahrnovala přísady na bázi niklu a manganu v katodovém materiálu na bázi oxidu kobaltu, kromě inovací při stavbě článků.

První lithium-iontové články na trhu byly v pevných hliníkových nebo ocelových plechovkách a typicky se dodávaly pouze v několika válcových nebo hranolových (cihlových) tvarech. S rozšiřováním škály aplikací lithium-iontové technologie se však začaly měnit i jejich celkové rozměry.

Například levnější verze starší technologie se používají v noteboocích a mobilních telefonech. Moderní tenké lithium-polymerové články se používají v chytrých telefonech, tabletech a nositelných zařízeních. V současné době se lithium-iontové baterie používají v elektrickém nářadí, elektrokolech a dalších zařízeních. Tato variace naznačuje kompletní výměna olověná zařízení ve stále více nových aplikacích zaměřených na zlepšení celkového a energetického výkonu.

Chemické vlastnosti

Základní principy chemických procesů v buňkách jsou dány olovem a kyselinou lithium-iontová zařízení určité vlastnosti a různé stupně funkčnost. Níže jsou uvedeny některé z výhod olověných baterií, které z nich po desetiletí učinily hlavní pilíř, a nevýhody, které nyní vedou k jejich výměně, a také podobné aspekty pro lithium-iontová zařízení.

Olověná baterie

• SKB je jednoduchý, spolehlivý a levný. Může být použit v širokém teplotním rozsahu.
• Baterie musí být skladovány v trvale nabitém stavu (SoC) a nelze je rychle nabíjet.
• SKB mají velkou váhu. Jejich gravimetrická hustota energie je velmi nízká.
• Životní cyklus je obvykle 200 až 300 vybití/nabití, což je velmi krátké.
• Křivka nabíjení/vybíjení umožňuje měřit SOC pomocí jednoduchého řízení napětí.

Li-ion baterie

• Mají největší energetickou hustotu z hlediska velikosti a hmotnosti.
• Životní cyklus je obvykle mezi 300 a 500, ale může být měřen v tisících pro lithium fosfátové články;
• Velmi malý rozsah provozních teplot;
• Dostupný různé velikosti buňky, tvary a další znaky;
• Bez nutnosti údržby. Úroveň samovybíjení je velmi nízká.
• Je nutné zavést bezpečnostní schémata. Sofistikovaný nabíjecí algoritmus.
• Měření SoC vyžaduje obtížná rozhodnutí kvůli nelinearitě křivky napětí.

Elektronika

Je důležité pochopit rozdíl mezi baterií a dobíjecí baterií. Buňka je hlavním základním prvkem balíčku. Kromě toho je součástí balení také elektronika, konektory a pouzdro. Výše uvedený obrázek ukazuje příklady těchto zařízení. Lithium-iontová baterie musí mít minimálně implementované obvody pro ochranu článků a řídicí obvody a systém nabíječky a měření napětí je mnohem složitější než u olověných zařízení.

Při použití lithium-iontových a olověných baterií budou hlavní rozdíly v elektronice následující:

Nabíječka

Nabíjení olověného akumulátoru je poměrně jednoduché, pokud jsou splněny určité prahové hodnoty napětí. V lithium-iontové baterie použít složitější algoritmus, s výjimkou vaků s fosforečnanem železa. Standardní metoda poplatek za taková zařízení je metodou konstantní proud/konstantní napětí (CC/CV). Zahrnuje dvoufázový proces nabíjení. Prvním krokem je nabíjení stejnosměrný proud. To trvá, dokud napětí článku nedosáhne určité prahové hodnoty, poté napětí zůstane konstantní a proud exponenciálně klesá, dokud nedosáhne mezní hodnoty.

Počítání poplatků a komunikace

Jak již bylo zmíněno dříve, náboj SCB lze měřit jednoduchými prostředky měření napětí. Při použití lithium-iontových baterií je nutné kontrolovat úroveň nabití článků, což vyžaduje implementaci složitých algoritmů a cyklů učení.

I 2 C je nejběžnější a nákladově nejefektivnější komunikační protokol používaný v lithium-iontových bateriích, ale má omezení z hlediska odolnosti proti šumu, integrity signálu na vzdálenost a celkové šířky pásma. SMBus (System Management Bus), derivát I2C, je velmi běžný u menších baterií, ale v současné době nemá žádnou účinnou podporu pro výkonné nebo větší balíčky. CAN je skvělá pro prostředí s vysokou hlučností nebo tam, kde jsou vyžadovány dlouhé běhy, jako je tomu v mnoha aplikacích SKB, ale něco stojí.

Přímé náhrady

Je třeba zdůraznit, že nyní existuje několik standardních formátů pro olověné baterie. Například - U1, standardní tvarový faktor používaný v aplikacích záložní napájení lékařské vybavení. Lithium-železo-fosfátová baterie se ukázala jako docela slušná náhrada za olověné. Fosforečnan železitý má vynikající životní cyklus, dobrou vodivost náboje, zlepšenou bezpečnost a nízkou impedanci. Napětí lithium-železofosfátových baterií také dobře odpovídá napětím olověných kyselin (12V a 24V), což umožňuje použití stejných nabíječek. Softwarové balíčky pro údržbu a monitorování baterií zahrnují chytré funkce, jako je sledování nabíjení, počítadlo cyklů nabíjení/vybíjení a další.

Lithium-železofosfátové baterie si uchovávají 100% kapacitu při skladování, na rozdíl od SKB baterií, které ztrácejí kapacitu během několika měsíců skladování. Výše uvedený obrázek porovnává oba produkty a typy pokroků provedených při přechodu z SKB na Li-ion.

závěry

Existuje jen velmi málo baterií, které dokážou uchovat tolik energie jako olověná kyselina tento druh baterie cenově výhodné pro mnoho výkonných zařízení. Lithium-iontová technologie neustále klesá na ceně a neustálé zlepšování jejich chemických struktur a bezpečnostních systémů z nich dělá důstojného konkurenta olověné technologii. Zařízení pro jejich použití mohou být velmi odlišná, od nepřerušitelných zdrojů energie až po elektrická vozidla a drony.

Lithiové baterie

Lithiové nebo lithium-iontové (Li-ion) baterie se nacházejí především v mobilních telefonech, noteboocích a videokamerách. Výrobky jsou drahé, baterie také, takže s nimi musíte zacházet ještě kompetentněji než s jinými bateriemi. Jaká je tedy síla Lithium-Ion? Fám a mýtů je zde pravděpodobně ještě více. Za prvé, začíná se objevovat samo o sobě, i když jen proto, že prodejci zařízení s Li-ion bateriemi nedávají zvláštní slova na rozloučenou, říkají, že baterie je „chytrá“ a udělá vše správně sama. Ale ne sama od sebe. Koneckonců, kolik je případů, kdy majitelé nových notebooků za měsíc znefunkčnili baterii a pak zaplatili nová baterie. Lithiové baterie jsou samozřejmě drahé, protože jsou nacpané elektronikou, ale bohužel vás to nezachrání před bláznem.

Znovu vybití

Stejně jako v případě niklových baterií se také lithiové baterie velmi bojí přebíjení a nadměrného vybíjení. Ale jelikož se tyto baterie používají v chytrých zařízeních a jsou vybaveny vlastními nabíječkami, jejich elektronika neumožňuje přebíjení – tedy. nemůžeš se ho bát. Nadměrné vybíjení je ale obtížněji kontrolovatelné, proto je nejvíce typická příčina předčasné selhání baterie. Samozřejmě, že u drahých a složitých zařízení, jako jsou notebooky, dojde k vypnutí dříve, než napětí klesne na kritickou hodnotu. Z precedentů však vyplývá, že na toto nouzové odstavení je nejlepší pohlížet jako na nouzové opatření, ke kterému je, pokud možno, raději nepřistupovat. To je nejdůležitější pravidlo - vyhnout se úplnému vybití, protože nízké napětí může deaktivovat bezpečnostní obvod. Stává se, že lidé „zabíjejí“ baterie, unášeni tréninkem. Trénink je dobrá věc, ale pro lithiové baterie stačí 2-3 plné cykly.

Lithiové baterie nemají paměťový efekt, takže je lze kdykoli dobít, proto je nejlepší, aby vám baterie po tréninku nedošly. Doporučená spodní hranice je 5–10 %. Kritická spodní hranice jsou 3 %.

Mnoho nedokončených cyklů nebo jeden dokončený

Lithiová baterie má životnost přibližně 300 cyklů. Za plný cyklus se považuje cyklus plného nabití a plného (tj. do cca 3 % kapacity) vybití, nebo naopak. Pokud baterii vybijete na 50% a poté ji nabijete, bude to 1/2 cyklu, pokud je to do 75% a nabijete ji - 1/4 cyklu atd. Takže u telefonů a notebooků je rozdíl ve výhodách mezi plnými a neúplnými cykly odlišný. Na internetu se tvrdošíjně tvrdí, že spousta lidí nabíjela své telefony neúplným vybitím (tedy každý den dobíjeli telefon) a nakonec je zničili. U notebooků je přitom spolehlivě známo, že plné cykly opotřebovávají baterii rychleji než nekompletní. Při bližším zkoumání je situace jasnější. Li-ion zařízení baterie (viz doplňkové materiály). Ukazuje se, že hodně záleží na ovladači. Je to on, kdo řídí nabíjecí proud, sleduje stav baterie atd. Takže u notebooků je ovladač umístěn v samotné baterii a je nastaven systémové nástroje, jako je kalibrace. U mobilních telefonů je ovladač umístěn v samotném telefonu a nelze jej snadno nastavit. Přestože lithiové baterie nemají paměťový efekt, existuje efekt tzv. „digitální paměti“. Faktem je, že řídicí elektronika nabíjení-vybíjení, umístěná v samotné baterii, funguje nezávisle na zařízení, které baterii využívá. Vnitřní elektronika hlídá úroveň napětí článku, přeruší nabíjení při dosažení nastavené maximální hodnoty (s přihlédnutím ke změně napětí vlivem nabíjecího proudu a teploty baterie), přeruší vybíjení při dosažení kritické hodnoty a hlásí toto „up “ (pro tyto účely velký rozsah specializované mikroobvody). Monitorovací systém baterie „nahoře“ vypočítává úroveň nabití na základě informací o okamžicích vypnutí nabíjení a vybíjení baterie a odečtů aktuálního měřicího systému. Ale pokud jsou provozní podmínky takové, že úplné vybití až vypnutí hardwaru resp plné nabití nedojde, tyto výpočty po několika cyklech nemusí být zcela správné - kapacita baterie se časem snižuje a odečty aktuálního měřiče nemusí vždy odpovídat skutečnosti. Odchylky obvykle nepřesahují jedno procento pro každý cyklus, pokud během provozu nenastaly závažné změny, například při selhání jednoho z článků baterie. Monitorovací systém má schopnost „učit se“, tedy přepočítat hodnotu celkové kapacity baterie, k tomu je však nutné provést alespoň jeden úplný cyklus nabití-vybití před hardwarovými obvody samotné baterie. aktivovat. Ukazuje se tedy, že při velmi častých cyklech se regulátor ztratí, a proto nesprávně vypočítá nabití baterie a provede nesprávné nabíjení, což způsobí poškození baterie. Na rozdíl od notebooku nelze telefon překalibrovat. Vše, co zůstává v tento případ, je provést několik úplných cyklů, aby se ovladač dal do pořádku. Doporučuji v ideálním případě kombinovat plné a částečné cykly, dodržovat zásadu „zlatého středu“. Osobně jsem to udělal se svým mobilním telefonem - ve výsledku po 2 letech provozu pokles kapacity nebyl větší než 40%, což je norma. Částečně čas také nešetří lithiové baterie – ty se časem opotřebovávají bez ohledu na provoz; jejich stáří je krátké a je rozumné měnit baterie každé 2-3 roky.

Úložný prostor

Když se baterie nepoužívá, doporučuje se ji skladovat na 40% kapacity na chladném místě. Spodní teplotní limit pro skladování a provoz je 00 C. Obecně se lithiové baterie rády nabíjejí, tzn. je lepší je skladovat a uchovávat v nabitém stavu, na rozdíl od niklových. Ale při dlouhodobém skladování maximální nabití stále více opotřebovává baterii, takže 40% nabití je považováno za optimální stav.

Resuscitace baterie

Obecně platí, že pokud je baterie vybitá, je lepší koupit novou, je to nejlogičtější možnost, i když drahá. Spolehlivé recepty na resuscitaci baterií jsem neviděl. Zejména o noteboocích existují skutečné legendy, že lidé oživili zničenou baterii notebooku a vše je s nimi v pořádku. Jeden z nich zní takto: „Musíte úplně vybít baterii, nechte notebook týden; poté baterii plně nabijte a také ji nechte týden; po dvou měsících by měla být kapacita obnovena.

Pro mobilní telefony: kombinujte plné a částečné cykly (v poměru „X3“).
Pro notebooky: co nejméně úplných cyklů (po tréninku).
Pro všechny: doporučuje se udělat 80% cyklů; nedovolte úplné vybití (pod 3 %).

Který je široce používán v moderní spotřební elektronice a nachází své uplatnění jako zdroj energie v elektrických vozidlech a zařízeních pro ukládání energie v energetických systémech. Jedná se o nejoblíbenější typ baterie v zařízeních, jako jsou mobilní telefony, notebooky, elektrická vozidla, digitální fotoaparáty a videokamery. První lithium-iontová baterie byla vydána společností Sony Corporation v roce 1991.

Charakteristika

V závislosti na elektrochemickém obvodu vykazují lithium-iontové baterie následující vlastnosti:

• Napětí jednoho článku je 3,6V.
• Maximální napětí 4,2 V, minimální 2,5-3,0 V. Nabíječky podporují napětí v rozsahu 4,05-4,2 V
• Hustota energie : 110 … 230 W*h/kg
• Vnitřní odpor : 5 … 15 mOhm/1Ah
• Počet cyklů nabití / vybití před ztrátou 20% kapacity: 1000-5000
• Čas rychlé nabíjení: 15 min - 1 hodina
• Samovybíjení při pokojové teplotě: 3 % za měsíc
• Zatěžovací proud vzhledem ke kapacitě (C):
  • konstantní - do 65C, pulzní - do 500C
  • nejpřijatelnější: do 1C
• Rozsah provozních teplot: -0 ... +60 °C (baterie nelze nabíjet při nízkých teplotách)

přístroj

Lithium-iontová baterie se skládá z elektrod (katodový materiál na hliníkové fólii a anodový materiál na měděné fólii) oddělených porézními separátory impregnovanými elektrolytem. Balíček elektrod je umístěn v utěsněném pouzdře, katody a anody jsou připojeny ke svorkám sběrače proudu. Těleso má pojistný ventil, který uvolňuje vnitřní tlak v nouzových situacích a porušení provozních podmínek. Lithium-iontové baterie se liší typem použitého materiálu katody. Nosič proudu v lithium-iontové baterii je kladně nabitý iont lithia, který má schopnost interkalovat (interkalovat) do krystalové mřížky jiných materiálů (například do grafitu, oxidů kovů a solí) za vzniku chemické látky. vazba např.: do grafitu za vzniku LiC6, oxidů (LiMO 2) a solí (LiM R O N) kovů. Zpočátku se jako negativní desky používalo kovové lithium, poté uhelný koks. Později se začal používat grafit. Donedávna se jako kladné desky používaly oxidy lithia s kobaltem nebo manganem, ale stále častěji jsou nahrazovány ferofosfátem lithným, který se ukázal jako bezpečný, levný a netoxický a lze jej ekologicky zlikvidovat. Lithium-iontové baterie se používají v sadě s monitorovacím a řídicím systémem - SKU nebo BMS (battery management system) a speciálním nabíjecím/vybíjecím zařízením. V současné době se v hromadné výrobě lithium-iontových baterií používají tři třídy katodových materiálů: - kobaltát lithný LiCoO 2 a tuhé roztoky na bázi izostrukturního niklu lithného - spinel lithium mangan LiMn 2 O 4 - ferofosfát lithný LiFePO 4 . Elektrochemické obvody lithium-iontových baterií: lithium-kobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 lithium-ferofosfát LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

Vzhledem k nízkému samovybíjení a velkému počtu cyklů nabíjení-vybíjení jsou Li-ion baterie nejvýhodnější pro použití v alternativní energii. Navíc jsou kromě BMS systému (SKU) vybaveny invertory (napěťovými měniči).

Výhody

• Vysoká hustota energie.
• Nízké samovybíjení.
• Žádný paměťový efekt.
• Bezúdržbový.

Nedostatky

Li-ion baterie první generace byly vystaveny explozivnímu efektu. To bylo vysvětleno tím, že použili anodu vyrobenou z kovového lithia, na které se během několika cyklů nabíjení/vybíjení objevily prostorové útvary (dendrity), vedoucí ke zkratu elektrod a v důsledku toho k požáru nebo výbuchu. . Tento problém byl nakonec vyřešen nahrazením anodového materiálu grafitem. K podobným procesům docházelo také na katodách lithium-iontových baterií na bázi oxidu kobaltu při porušení provozních podmínek (dobíjení). Lithium-fero-fosfátové baterie tyto nedostatky zcela postrádají. Všechny moderní lithium-iontové baterie jsou navíc vybaveny vestavěným elektronickým obvodem, který zabraňuje přebíjení a přehřívání v důsledku přebíjení.

Li-ion baterie s nekontrolovaným vybíjením mohou mít kratší životnost ve srovnání s jinými typy baterií. Při úplném vybití ztrácejí lithium-iontové baterie schopnost nabíjení, když je připojeno nabíjecí napětí. Tento problém lze vyřešit aplikací vyššího napěťového impulsu, což však negativně ovlivňuje další vlastnosti lithium-iontových baterií. Maximální „životnosti“ Li-ion baterie je dosaženo při omezení nabíjení shora na úrovni 95 % a vybití 15–20 %. Tento režim provozu je podporován monitorovacím a řídicím systémem BMS (SKU), který je součástí každé lithium-iontové baterie.

Optimálních skladovacích podmínek pro Li-ion akumulátory je dosaženo při nabíjení na úrovni 40-70 % kapacity akumulátoru a při teplotě cca 5 °C. V čem nízká teplota je důležitější faktor pro nízkou ztrátu kapacity při dlouhodobém skladování. Průměrná životnost (životnost) lithium-iontové baterie je v průměru 36 měsíců, i když se může lišit od 24 do 60 měsíců.

Ztráta úložné kapacity:

Podle všech současných předpisů pro skladování a provoz lithium-iontových baterií je pro zajištění dlouhodobého skladování nutné je jednou za 6–9 měsíců dobít na úroveň 70 % kapacity.

viz také

Poznámky

Literatura

• Khrustalev D. A. Akumulátory. M: Emerald, 2003.
• Jurij Filippovský Mobilní jídlo. Část 2. (RU). ComputerraLab (26. května 2009). - Podrobný článek o Li-ion bateriích. Staženo 26. května 2009.

Odkazy

• GOST 15596-82 Termíny a definice.
• GOST 61960-2007 Lithiové baterie a dobíjecí baterie
• Lithium-iontové a lithium-polymerové baterie. iXBT (2001)
• Lithium-iontové baterie domácí výroby

Nejmodernější elektronická zařízení, jako je notebook, telefon nebo přehrávač, jsou vybaveny lithium-iontovými bateriemi, které fungují jako autonomní zdroje energie. Tyto iontové baterie byly vyvinuty relativně nedávno, ale díky svým vlastnostem si získaly velkou oblibu mezi designéry a výrobci gadgetů. Nyní kromě různých domácí přístroje Mnoho nástrojů pro dekoraci a opravy, šroubováky nebo řezací stroje jsou vybaveny takovými zdroji energie. Tento článek pojednává o typech lithium-iontových baterií, jejich rozsahu a principu fungování.

Typy lithium-iontových baterií

Existuje více typů dobíjecích baterií, které fungují na principu ukládání energie a jejího vybíjení do spotřebovaného zařízení, které lze spojit do jedné lithium-iontové jednotky. Mezi tyto baterie patří:

1. Lithium-kobaltová baterie. Takové zařízení se skládá z grafitové anody a katody vyrobené z oxidu kobaltu. Katoda má deskovou strukturu s mezerami mezi díly, takže při spotřebě energie jsou k deskám z anody přiváděny ionty lithia, dochází k elektromagnetické reakci a na svorky je přivedeno napětí. Nevýhodou takového systému je slabá odolnost mechanismu vůči změnám teploty, protože při záporných hodnotách se baterie vybíjí, i když není připojena ke spotřebiteli. Během nabíjení produktu se mění směr proudu a ionty lithia vstupují přes katody k anodám, akumulují se a napětí stoupá. Je přísně zakázáno připojovat nabíječku k baterii, jejíž jmenovité napětí je vyšší než jmenovité napětí, jinak se baterie může přehřát, desky se roztaví a pouzdro praskne;
2. Lithium-manganová baterie. Platí také pro lithium-iontové baterie, jejichž pracovní médium je tvořeno manganovým spinelem ve formě trojrozměrných tunelů ve tvaru kříže. Na rozdíl od kobaltového systému tento typ báze zajišťuje nerušený průchod iontů lithia z anody ke katodě a dále ke kontaktům zařízení. Hlavní výhodou lithium-iontové manganové baterie je nízký odpor materiálu, proto se takové baterie často používají pro hybridní vozidla, nástroj, který spotřebovává velký počet proudu nebo ve zdravotnickém zařízení fungujícím autonomně. Je povoleno zahřát baterii během nabíjení až na 80 stupňů a jmenovitý proud může být až 20-30 A. Nedoporučuje se působit na baterii proudem, jehož napětí je vyšší než 50A po dobu delší než dvě sekundy, jinak se spinely mohou přehřát a selhat;

1. Lithium-iontové baterie s katodou fosforečnanu železa. Taková baterie je vzácná kvůli relativně vysokým nákladům na výrobu, její konečná cena je o něco vyšší než u ostatních lithium-iontových baterií. Fosfátová katoda má velkou výhodu: je to životnost výrobku a frekvence nabíjení, která výrazně předčí podobná zařízení. Nejčastěji mají tyto baterie záruku 10 až 50 let nebo cca 500 nabíjecích cyklů. Vzhledem k těmto vlastnostem se železité fosfátové baterie často používají v průmyslu, když je nutné získat vysokého napětí na výstupu;
2. Lithium nikl mangan kobalt oxid iontové baterie. Jedná se o nejpraktičtější, z hlediska výrobních nákladů a spolehlivosti hotového výrobku, kombinace materiálů pro výrobu katody. Katoda z nich vyrobená má vzhledem k elektrochemickým vlastnostem uvedených látek nízké hodnoty odporu, proto při dlouhé době nečinnosti baterie bude vybíjení minimální. Také zvětšením velikosti skleněného nebo katodového článku můžete zvýšit celkovou kapacitu baterie nebo zvýšit napětí. Tajemství spočívá v kombinaci manganu a niklu, které při správné kombinaci vytvoří řetězec s vysokými elektrochemickými vlastnostmi;
3. Lithium-titanátová baterie. Katoda tohoto zařízení, vyvinutá na počátku 80. let, je na rozdíl od iontových baterií s grafitovým jádrem vyrobena z nanokrystalů titaničitanu lithného. Katoda z tohoto materiálu umožňuje dobít baterii v krátkém časovém úseku a udržovat napětí s nulovým odporem. Tato jednotka se často používá v samostatných systémech pouliční osvětlení kdy je potřeba energii v krátké době akumulovat a dlouhodobě ji podávat spotřebiteli. Nevýhodou takového systému jsou poměrně vysoké náklady na hotovou baterii, ale rychle se vyplatí kvůli zvýšené životnosti součásti.

Důležité! Všechny uvedené lithium-iontové baterie jsou bezúdržbové baterie, takže v případě poškození nebo poruchy nechte baterii opravit nebo opravit. servisní práce doplnění elektrolytu nebude fungovat. Jakékoli manipulace pro otevření krytu baterie povedou ke zničení desek baterie a úplnému selhání.

Princip činnosti lithium-iontových baterií

Všechny lithium-iontové baterie mají podobnou strukturu, která má několik drobných rozdílů, které neovlivňují princip fungování součásti. Vnější plášť je vyroben z kompozitního materiálu, plastu nebo tenkého neželezného kovu, což je velmi vzácné. Nejčastěji se baterie skládá z plastového pouzdra, kovových svorek pro kontakt se spotřebitelem a vnitřních tyčí s kladným a záporným napětím. Vnitřní lithium se nabíjí připojením externího zařízení stabilním proudem, ale každý produkt má primární náboj, ke kterému dochází v důsledku chemické reakce mezi anodou a katodou.

Procesy na záporné elektrodě, vyrobené z uhlíkatého materiálu, který má vzhled přírodního listového grafitu, jsou chaotické, atomy nabité elektřinou se pohybují po matrici bez ztráty napětí. Všechny ukazatele v tomto sektoru jsou negativní.

kladná elektroda lithiová baterie Vyrábí se výhradně z oxidů kobaltu nebo niklu a také z lithium-manganových spinelů. Během vybíjení se ionty lithia vzdalují od uhlíkového jádra a po reakci s kyslíkem pronikají katodou a spěchají ven, ale nemohou opustit tělo baterie. Nabité ionty lithia ztrácejí napětí a zůstávají na povrchu anody, dokud se lithium nenabije. Během nabíjení probíhá celý proces v obráceném pořadí.

Design Li-ion baterie

Jako alkalická baterie se lithiová baterie vyrábí ve formě válce nebo může mít prizmatický tvar. Ve válcové baterii jsou jako jádro použity elektrody svinuté do role, izolované speciálním pláštěm a umístěné v kovovém pouzdře, které je spojeno se záporně nabitými prvky. Pro zachování polarity je záporný kontakt umístěn ve spodní části a kladný kontakt je umístěn v horní části součásti a tyto prvky by se neměly vzájemně dotýkat, jinak bude proud cirkulovat vodičem, což povede ke spontánnímu vybití. .

Prizmatický tvar lithium-iontové baterie je zcela běžný. V tomto provedení je jádro tvořeno skládáním speciálních desek na sebe, které jsou umístěny v minimální vzdálenosti mezi nimi. Takový systém umožňuje vyšší technický výkon, ale díky těsnému usazení desek při nabíjení baterií je možné přehřátí jádra a roztavení mřížky, což vede ke snížení produktivity dílu.

Nezřídka se setkáváme s kombinovaným systémem pro zařízení lithium-iontové baterie, kdy jsou elektrody stočené do role vytvarovány do oválného válce. Přitom jsou dodržována pravidla plynulého přechodu a zároveň rovný úsek imituje lamelový tvar. Takové baterie mají vlastnosti obou typů výrobků, jejich životnost je mnohem vyšší.

Při chemické reakci a provozu baterie se uvnitř pouzdra tvoří plyny, které obsahují škodlivé látky. Pro rychlý odvod těchto par je u lithium-iontových baterií vývod, který má spojení s bankami a včas odvádí nahromaděný plyn z dutiny baterie. Některé vysoce výkonné baterie jsou vybaveny speciálním ventilem, který funguje během kritické akumulace par.

Kontrola Li-ion baterie

Lithiové nabití uvnitř baterie je třeba pravidelně kontrolovat, a to navzdory skutečnosti, že uvedená baterie je považována za mimo provoz, protože její pouzdro je zapečetěno, je třeba baterii stále kontrolovat pomocí speciálního zařízení.

Kontrola vždy začíná vnější prohlídkou, při které se kontroluje těleso dílu na trhliny a deformace. Kontrolují se také vývody baterie, jsou očištěny od oxidace a jiných nečistot.

Důležité! Je nutné udržovat baterii v čistotě a vyvarovat se uzavření kontaktů mezi sebou, protože to může vést k plné vybití baterie, bude velmi problematické ji obnovit.

Pro kontrolu vnitřního stavu jádra slouží zátěžová zástrčka, která se připojí na svorky a měří jmenovité napětí v síti. Poté se na baterii aplikuje výboj a zařízení čte indikátory pro udržení proudu uvnitř součásti. Je důležité vzít v úvahu, že v době testování musí být baterie plně nabitá, jinak budou naměřené hodnoty nepřesné.

Aplikace lithium-iontových baterií

Lithium-iontové baterie se používají v mnoha aplikacích v závislosti na jejich konfiguraci, tvaru a jmenovitém napětí. Nejčastější využití baterií je v automobilovém průmyslu, každé vozidlo má svůj zdroj energie, který má na starosti startování vozu a vykonávání dalších funkcí.

Tyto baterie se také používají v mobilní zařízení, notebooky a další gadgety. Zařízení takových baterií je podobné automobilovým bateriím, jediným rozdílem jsou rozměry výrobků, které mohou mít velikost krabičky od zápalek.

V Nedávno stalo se populární zavádět lithium-iontové baterie do systémů nepřerušitelného napájení doma a jako nouzové zdroje elektřiny, přičemž baterie je trvale připojena k centrální síti. Během provozu zařízení z jednoduché elektrárny se baterie nabíjí a po vypnutí napájení automaticky začne dodávat proud spotřebiteli. V tomto případě musí být dobíjecí baterie správně umístěna a opatřena systémy ochrany proti přehřátí.

Video

Mezi nejmodernějšími bateriemi zaujímá zvláštní místo lithium. V chemii je lithium nejaktivnějším z kovů.

Má obrovský zdroj energie. 1 kg lithia je schopen uchovat 3860 ampérhodin. Známý zinek je daleko pozadu. Má toto číslo 820 ampérhodin.

Články na bázi lithia mohou generovat napětí až 3,7 V. Ale laboratorní vzorky jsou schopné generovat napětí asi 4,5V.

V moderních lithiových bateriích se čisté lithium nepoužívá.

V současnosti se používají 3 typy lithiových baterií:

Li-ion ( Li-ion). Jmenovité napětí (U no.) - 3,6V;

Lithiový polymer ( LiPo, Li polymer nebo "lipo"). U nom. - 3,7V;

fosforečnan lithný ( Život nebo LFP ). U nom. - 3,3V.

Všechny tyto typy lithiových baterií se liší materiálem katody nebo elektrolytu. Li-ion využívá lithium kobaltátovou katodu LiCoO 2 Li-Po využívá gelový polymerní elektrolyt a Li-Fe používá lithiovou ferofosfátovou katodu LiFePO 4.

Jakákoli lithiová baterie (nebo zařízení, ve kterém pracuje) je vybavena malým elektronickým obvodem - regulátorem nabíjení / vybíjení. Vzhledem k tomu, že baterie na bázi lithia jsou velmi citlivé na přebíjení a hluboké vybíjení, je to nezbytné. Pokud "vyberete" jakoukoli lithiovou baterii z mobilního telefonu, můžete v ní najít malý elektronický obvod - to je ochranný ovladač ( Ochranný IC ).

Pokud je vestavěný ovladač (nebo supervizor nabíjení) v lithiová baterie Ne, pak se taková baterie nazývá nechráněná. V tomto případě je ovladač zabudován do zařízení, které je napájeno takovou baterií a nabíjení je možné pouze ze zařízení nebo ze speciální nabíječky.

Na fotografii je nechráněná Li-Po baterie Turnigy 2200mAh 3C 25C Lipo Pack. Tato baterie se skládá ze 3 článků zapojených do série (3C - 3 články) 3,7V a má tedy balanční konektor. Trvalý vybíjecí proud může dosáhnout 25C, tzn. 25 * 2200 mA = 55 000 mA = 55 A! A krátkodobý vybíjecí proud (10 sec.) - 35C!

Lithiové baterie, což je několik článků zapojených do série, vyžadují složitou nabíječku vybavenou balancerem. Taková funkčnost je implementována například v takových univerzálních nabíječkách jako Turnigy Accucell 6 a IMAX B6.

Balancér je potřebný pro vyrovnání napětí na jednotlivých článcích při nabíjení kompozitní lithiové baterie. Kvůli rozdílům mezi články se některé mohou nabíjet rychleji a jiné pomaleji. Proto se používá speciální nabíjecí proudový bočník.

Jedná se o kabeláž pro balanční a napájecí kabel LiPo baterie na 11,1V.

Jak víte, přebíjení lithiové baterie (zejména Li-Polymer) nad 4,2 V může vést k explozi nebo samovznícení. Proto je během nabíjení nutné kontrolovat napětí na každé buňce kompozitní baterie!

Správné nabíjení lithiových baterií.

Lithiové baterie (Li-ion, Li-Po, Li-Fe) se nabíjejí metodou CC/CV ("DC/ konstantní tlak"). Metoda spočívá v tom, že nejprve se při nízkém napětí na prvku nabíjí konstantním proudem o určité hodnotě. Při dosažení napětí na prvku (např. až 4,2V - záleží na typu baterie) na něm regulátor nabíjení udržuje konstantní napětí.

První etapa nabíjení lithiové baterie - CC- realizované prostřednictvím zpětná vazba. Regulátor volí napětí na prvku tak, aby nabíjecí proud byl přísně konstantní.

Během první fáze nabíjení lithiová baterie akumuluje většinu energie (60 - 80 %).

Druhá fáze nabít - životopis- spustí se, když napětí na prvku dosáhne určité prahové úrovně (například 4,2V). Poté regulátor jednoduše udržuje konstantní napětí na prvku a dodává mu proud, který potřebuje. Ke konci nabíjení se proud sníží na hodnotu 30 - 10 mA. Při tomto proudu je prvek považován za nabitý.

Během druhé fáze baterie akumuluje zbývajících 40 - 20 % energie.

Stojí za zmínku, že překročení prahového napětí na lithiové baterii je spojeno s jejím nadměrným přehřátím a dokonce explozí!

Při nabíjení lithiových baterií se doporučuje umístit je do nehořlavého sáčku. To platí zejména pro baterie, které nemají speciální krabici. Například ty, které se používají u rádiem řízených modelů (auto-, letecké modelářství).

Nevýhody lithium-iontových baterií.

Hlavní a nejděsivější nevýhodou lithiových baterií bych je nazval nebezpečí požáru při překročení provozního napětí, přehřátí, nesprávné nabíjení a negramotná obsluha. Zvláště mnoho stížností na lithium-polymerové (Li-Polymer) baterie. Lithium-železo-fosfátové (Li-Fe) baterie však takovou negativní vlastnost nemají – jsou ohnivzdorné.

Také lithiové baterie se velmi bojí chladu - rychle ztrácejí kapacitu a přestávají se nabíjet. To platí pro Li-ion a Li-Po baterie. Lithium Iron Phosphate (Li-Fe) baterie jsou odolnější vůči mrazu. Ve skutečnosti, toto je jeden z pozitivní vlastnosti Li-Fe baterie.

Nevýhodou lithiových baterií je, že vyžadují speciální regulátor nabíjení – elektronický obvod. A v případě kompozitu baterie a balancér.

Při hlubokém vybití ztrácejí lithiové baterie své původní vlastnosti. Li-ion a Li-Po baterie se obávají především hlubokého vybití. I po obnově bude mít taková baterie nižší kapacitu.

Pokud lithiová baterie „nefunguje“ po dlouhou dobu, nejprve na ní napětí klesne na prahovou úroveň (obvykle 3,2-3,3V). Elektronický obvod zcela vypne článek baterie a poté začne hluboké vybíjení. Pokud napětí na článku klesne na 2,5V, pak to může vést k jeho poruše.

Proto se vyplatí čas od času při dlouhé odstávce dobít baterie notebooků, mobilních telefonů, mp3 přehrávačů.

Typická životnost běžné lithiové baterie je 3 až 5 let. Po 3 letech začíná kapacita baterie poměrně znatelně klesat.