باتری سرب اسید یا لیتیوم یون؟ کی میبره؟ عملکرد، شارژ، مزایا و معایب باتری های لیتیومی

برای مدت طولانی، باتری اسیدی تنها وسیله ای بود که می توانست جریان الکتریکی را برای اشیاء و مکانیسم های مستقل تامین کند. با وجود حداکثر جریان زیاد و حداقل مقاومت داخلی، چنین باتری هایی دارای معایبی بودند که استفاده از آنها را در دستگاه هایی که مقدار زیادی برق مصرف می کنند یا در فضاهای بسته محدود می کرد. از این نظر، باتری های لیتیوم یونی فاقد بسیاری از ویژگی های منفی پیشینیان خود هستند، اگرچه معایبی نیز دارند.

نگهداری

باتری لیتیوم یون چیست؟

اولین باتری های لیتیومی 50 سال پیش ظاهر شدند. چنین محصولاتی یک باتری معمولی بود که در آن یک آند لیتیومی برای افزایش سطح توان خروجی نصب شده بود. چنین محصولاتی ویژگی های عملکرد بسیار بالایی داشتند، اما یکی از جدی ترین اشکالات احتمال اشتعال لیتیوم در هنگام گرم شدن بیش از حد کاتد بود. با توجه به این ویژگی، دانشمندان در نهایت عنصر خالص را با یون های فلزی جایگزین کردند که در نتیجه ایمنی به میزان قابل توجهی افزایش یافت.

باتری‌های لیتیوم یونی مدرن بسیار قابل اعتماد هستند و می‌توانند تعداد زیادی چرخه شارژ-دشارژ را تحمل کنند. آنها دارای حداقل اثر حافظه و وزن نسبتا سبک هستند. با توجه به این ویژگی ها، باتری لیتیومی کاربرد گسترده ای در بسیاری از دستگاه ها پیدا کرده است. این محصول می تواند به عنوان باتری، به شکل باتری برای لوازم خانگی و همچنین یک منبع نیروی کششی بسیار کارآمد استفاده شود.

تا به امروز، چنین دستگاه هایی دارای چندین معایب هستند:

• هزینه بالا؛
• ترشحات عمیق را دوست ندارم؛
• می تواند در دمای پایین بمیرد.
• از دست دادن ظرفیت در هنگام گرم شدن بیش از حد

تولید باتری های لیتیوم یون چگونه است

باتری های لیتیوم یون در چند مرحله تولید می شوند:

1. ساخت الکترود.
2. ترکیب الکترودها در یک باتری
3. نصب برد محافظ
4. نصب باتری در کیس.
5. پر کردن الکترولیت
6. تست و شارژ.

در تمام مراحل تولید باید تدابیر فنی و ایمنی رعایت شود که در نهایت به شما امکان می دهد محصولی با کیفیت به دست آورید.

باتری های لیتیوم یونی از فویل به عنوان کاتد استفاده می کنند که یک ماده حاوی لیتیوم روی سطح آن قرار دارد.

بسته به هدف باتری، می توان از ترکیبات لیتیوم زیر استفاده کرد:

• LiCoO2;
• LiNiO2;
• LiMn2O4.

در ساخت منابع قدرت استوانه ای با سایز AA و AAA، الکترود اصلی به شکل یک رول پیچیده می شود که توسط جداکننده از آند جدا می شود. با سطح وسیعی از کاتد که لایه آن دارای حداقل ضخامت است، می توان به مصرف انرژی بالای محصول دست یافت.

اصل کار و دستگاه باتری لیتیوم یون

باتری لیتیوم یونی به شرح زیر عمل می کند:

1. هنگامی که یک جریان الکتریکی مستقیم به کنتاکت های باتری اعمال می شود، کاتیون های لیتیوم به داخل ماده آند حرکت می کنند.
2. در فرآیند تخلیه، یون های لیتیوم از آند خارج شده و تا عمق 50 نانومتر به دی الکتریک نفوذ می کنند.

در "عمر" یک باتری لیتیوم یونی، می تواند تا 3000 چرخه از این قبیل وجود داشته باشد، در حالی که باتری می تواند تقریباً تمام جریان الکتریکی انباشته شده در طول فرآیند شارژ را خارج کند. تخلیه عمیق منجر به اکسیداسیون صفحات نمی شود، که این محصولات را در مقایسه با باتری های اسیدی متمایز می کند.

همه باتری های لیتیوم یون تخلیه عمیق را به خوبی تحمل نمی کنند. اگر چنین باتری در گوشی یا دوربین (نوع AAA) نصب شده باشد، در صورت تخلیه عمیق، برد کنترلر به دلایل ایمنی امکان شارژ باتری را مسدود می کند، بنابراین شارژ آن بدون نیاز به یک باتری امکان پذیر نخواهد بود. شارژر مخصوص اگر این یک باتری لیتیوم کششی برای موتور قایق است ، تخلیه عمیق برای او اصلاً وحشتناک نخواهد بود.

برخلاف باتری های انگشتی، باتری های پیچیده از چندین منبع برق مجزا تشکیل شده اند که به صورت موازی یا سری به هم متصل شده اند. روش اتصال بستگی به این دارد که کدام شاخص برق باید افزایش یابد.

اندازه و انواع باتری های لیتیوم یونی

باتری های لیتیوم یونی به طور گسترده ای گسترش یافته اند. چنین منابع جریان الکتریکی در دستگاه های مختلف خانگی، وسایل و حتی اتومبیل ها استفاده می شود. علاوه بر این باتری‌های لیتیوم یون صنعتی نیز تولید می‌شوند که ظرفیت و ولتاژ بالایی دارند. محبوب ترین انواع باتری های لیتیومی زیر است:

دو رقم اول چنین نامگذاری ها قطر محصول را نشان می دهد، جفت دوم - طول. اگر باتری ها استوانه ای باشند، آخرین "0" تنظیم می شود.

علاوه بر باتری های استوانه ای، این صنعت باتری هایی از نوع "" با ولتاژ 9 ولت و باتری های صنعتی قدرتمند با ولتاژ 12 ولت، 24 ولت، 36 ولت و 48 ولت تولید می کند.

بسته به عناصری که به محصول اضافه می شود، علائم زیر ممکن است روی قاب باتری باشد:

• ICR - حاوی کبالت؛
• IMR - - - - منگنز؛
• INR - - - - نیکل و منگنز؛
• NCR - - - - نیکل و کبالت.

باتری های لیتیومی نه تنها در اندازه و مواد افزودنی شیمیایی، بلکه در درجه اول در ظرفیت و ولتاژ متفاوت هستند. این دو پارامتر امکان استفاده از آنها را در انواع خاصی از وسایل برقی تعیین می کند.

محل استفاده از باتری های لیتیوم یونی

باتری‌های لیتیوم یون هیچ جایگزینی ندارند که در آن به باتری نیاز دارید که بتواند تقریباً به طور کامل برق را تحویل دهد و تعداد زیادی چرخه شارژ/دشارژ را بدون کاهش ظرفیت انجام دهد. مزیت این گونه دستگاه ها وزن نسبتا کم آنهاست، زیرا نیازی به استفاده از توری های سربی در این گونه دستگاه ها نیست.

با توجه به عملکرد بالا، می توان از چنین محصولاتی استفاده کرد:

1. به عنوان باتری های استارتباتری‌های لیتیومی برای خودروها هر سال ارزان‌تر می‌شوند، به لطف پیشرفت‌های جدیدی که هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد. متأسفانه قیمت چنین باتری هایی می تواند بسیار بالا باشد، بنابراین بسیاری از دارندگان خودرو توانایی خرید چنین باتری را ندارند. از معایب باتری های لیتیوم یون می توان به افت قابل توجه توان در دمای زیر منفی 20 درجه اشاره کرد، بنابراین عملکرد چنین محصولاتی در مناطق شمالی غیر عملی خواهد بود.
2. به عنوان وسایل کششیبا توجه به این واقعیت که باتری های لیتیوم یون به راحتی تخلیه عمیق را تحمل می کنند، اغلب به عنوان کشش برای موتورهای الکتریکی قایق استفاده می شود. اگر قدرت موتور خیلی زیاد نباشد، یک بار شارژ برای 5-6 ساعت کار مداوم کافی است که برای ماهیگیری یا سفر با قایق کاملاً کافی است. باتری های لیتیوم یون کششی نیز بر روی تجهیزات بارگیری مختلف (استاکر برقی، لیفتراک برقی) که در داخل خانه کار می کنند نصب می شوند.
3. در لوازم خانگی.باتری های لیتیوم یونی در دستگاه های مختلف خانگی به جای باتری های استاندارد استفاده می شوند. چنین محصولاتی دارای ولتاژ 3.6 - 3.7 ولت هستند، اما مدل هایی وجود دارد که می توانند باتری نمکی یا قلیایی معمولی را با 1.5 ولت جایگزین کنند. همچنین می توانید باتری های 3 ولتی (15270) را پیدا کنید که می توانند به جای 2 باتری استاندارد نصب شوند.

چنین محصولاتی عمدتاً در دستگاه های قدرتمندی استفاده می شود که در آنها باتری های نمک معمولی خیلی سریع تخلیه می شوند.

قوانین کارکرد باتری های لیتیوم یونی

عمر باتری لیتیومی تحت تأثیر عوامل زیادی است که آگاهی از آنها به میزان قابل توجهی باعث افزایش منبع می شود. هنگام استفاده از این نوع باتری، باید:

1. سعی کنید باتری را کاملا خالی نکنید.با وجود مقاومت بالای باتری در برابر چنین ضربه ای، توصیه می شود تمام "آب میوه" را از آن خارج نکنید. هنگام استفاده از چنین باتری هایی با یو پی اس و موتورهای الکتریکی پرقدرت باید احتیاط خاصی کرد. اگر باتری به طور کامل تخلیه شود، لازم است بلافاصله آن را احیا کنید، یعنی آن را به یک شارژر مخصوص متصل کنید. همچنین می‌توانید پس از مدت‌ها اقامت در حالت دشارژ عمیق، باتری را پمپ کنید، که برای آن لازم است به مدت 12 ساعت شارژ باکیفیت انجام دهید، سپس باتری را تخلیه کنید.
2. بیش از حد شارژ نکنید.شارژ بیش از حد بر عملکرد محصول تأثیر منفی می گذارد. کنترلر داخلی همیشه قادر به خاموش کردن باتری به موقع نیست، به خصوص هنگامی که شارژ در اتاق سرد انجام می شود.

علاوه بر شارژ و دشارژ بیش از حد، باتری باید از استرس مکانیکی بیش از حد محافظت شود که می تواند باعث کاهش فشار بدنه و آتش سوزی اجزای داخلی باتری شود. به همین دلیل، ممنوعیت ارسال باتری هایی که حاوی بیش از 1 گرم لیتیوم خالص هستند وجود دارد.

نحوه نگهداری باتری های لیتیوم یونی

اگر نیاز به نگهداری طولانی مدت باتری های لیتیوم یونی وجود دارد، برای به حداقل رساندن تأثیر منفی روی محصولات، توصیه های زیر باید دنبال شود:

1. محصول را فقط در جای خشک و خنک نگهداری کنید.
2. باتری باید از دستگاه الکتریکی خارج شود.
3. باتری باید قبل از ذخیره سازی شارژ شود. حداقل ولتاژی که در آن فرآیندهای خوردگی داخلی تشکیل نمی شود 2.5 ولت در هر عنصر است.

با توجه به خود تخلیه کم چنین باتری هایی، می توان باتری را به این روش برای چندین سال ذخیره کرد، اما در این مدت ظرفیت سلول به هر حال ناگزیر کاهش می یابد.

دور انداختن باتری های لیتیوم یون

باتری های لیتیوم یونی حاوی مواد خطرناکی هستند و هرگز نباید در خانه جدا شوند. پس از اتمام منبع باتری، باید برای پردازش بیشتر تحویل داده شود. در نقاط جمع آوری تخصصی، می توانید برای یک باتری لیتیومی قدیمی غرامت پولی دریافت کنید، زیرا چنین محصولاتی حاوی عناصر گران قیمتی هستند که می توان آنها را دوباره استفاده کرد.

باتری های لیتیوم یونی به اندازه همتایان نیکل-فلز هیدرید خود «درخت» نیستند، اما همچنان نیاز به مراقبت دارند. چسبیدن به پنج قانون ساده، نه تنها می توانید چرخه عمر باتری های لیتیوم یون را افزایش دهید، بلکه زمان کار دستگاه های تلفن همراه را بدون شارژ مجدد نیز افزایش دهید.

از ترشح کامل خودداری کنید.باتری‌های لیتیوم یونی به اصطلاح اثر حافظه ندارند، بنابراین می‌توانند و علاوه بر این، نیاز به شارژ شدن دارند بدون اینکه منتظر تخلیه تا صفر باشند. بسیاری از سازندگان عمر باتری لیتیوم یونی را با تعداد چرخه های تخلیه کامل (تا 0٪) محاسبه می کنند. برای باتری های با کیفیت بالا 400-600 سیکل. برای افزایش عمر باتری لیتیوم یونی خود، تلفن خود را بیشتر شارژ کنید. در حالت بهینه، به محض اینکه نشانگر باتری به زیر 10-20 درصد رسید، می توانید گوشی را شارژ کنید. این باعث افزایش تعداد چرخه های تخلیه به 1000-1100 .
کارشناسان این فرآیند را با شاخصی مانند عمق تخلیه توصیف می کنند. اگر گوشی شما تا 20 درصد دشارژ شده باشد، عمق دشارژ 80 درصد است. جدول زیر وابستگی تعداد چرخه های دشارژ یک باتری لیتیوم یونی به عمق دشارژ را نشان می دهد:

هر 3 ماه یکبار ترخیص کنید.شارژ کامل در مدت زمان طولانی برای باتری‌های لیتیوم یونی به همان اندازه که دشارژ ثابت تا صفر بد است.
به دلیل فرآیند شارژ بسیار ناپایدار (ما اغلب گوشی را در صورت نیاز شارژ می کنیم، و در جایی که کار می کند، از USB، از پریز دیوار، از باتری خارجی و غیره)، کارشناسان توصیه می کنند که باتری را هر 3 ماه یک بار و بعد از آن کاملاً تخلیه کنید. که تا 100٪ شارژ می شود و 8 تا 12 ساعت در شارژ نگه می دارد. این به بازنشانی به اصطلاح پرچم های باتری کم و زیاد کمک می کند. می توانید در این مورد بیشتر بخوانید.

فروشگاه با شارژ جزئی. حالت بهینه برای ذخیره سازی طولانی مدت باتری لیتیوم یونی بین 30 تا 50 درصد شارژ در دمای 15 درجه سانتی گراد است. اگر باتری را به طور کامل شارژ کنید، ظرفیت آن در طول زمان به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. اما باتری، که برای مدت طولانی گرد و غبار را روی قفسه تخلیه می کرد، به احتمال زیاد دیگر مستاجر نیست - زمان ارسال آن برای بازیافت است.
جدول زیر نشان می‌دهد که باتری لیتیوم یونی بسته به دمای ذخیره‌سازی و سطح شارژ در مدت ۱ سال چقدر ظرفیت باقی می‌ماند.

از شارژر اصلی استفاده کنید.تعداد کمی از مردم می دانند که در بیشتر موارد شارژر مستقیماً در دستگاه های تلفن همراه ساخته می شود و آداپتور AC خارجی فقط ولتاژ را کاهش می دهد و جریان منبع تغذیه خانگی را اصلاح می کند ، یعنی مستقیماً روی باتری تأثیر نمی گذارد. برخی از گجت‌ها، مانند دوربین‌های دیجیتال، شارژر داخلی ندارند و بنابراین باتری‌های لیتیوم یون آن‌ها در یک «شارژر» خارجی قرار می‌گیرند. اینجاست که استفاده از یک شارژر خارجی با کیفیت مشکوک به جای شارژر اصلی می تواند بر عملکرد باتری تأثیر منفی بگذارد.

از گرمای بیش از حد خودداری کنید.خوب، بدترین دشمن باتری های لیتیوم یون دمای بالا است - آنها به هیچ وجه گرم شدن بیش از حد را تحمل نمی کنند. بنابراین، دستگاه های تلفن همراه را در معرض نور مستقیم خورشید قرار ندهید و آنها را در مجاورت منابع گرما مانند بخاری برقی قرار ندهید. حداکثر دمای مجاز که در آن استفاده از باتری های لیتیوم یون امکان پذیر است: -40 تا +50 درجه سانتی گراد

همچنین، می توانید ببینید

• ترجمه

مرگ باتری: همه ما این اتفاق را دیده ایم. در گوشی‌ها، لپ‌تاپ‌ها، دوربین‌ها و اکنون خودروهای الکتریکی، این روند دردناک و - اگر خوش شانس باشید - کند است. در طول سال‌ها، باتری لیتیوم یونی که زمانی دستگاه‌های شما را برای ساعت‌ها (و حتی روزها!) تغذیه می‌کرد، به آرامی توانایی خود را برای نگه داشتن شارژ از دست می‌دهد. در پایان، شما به توافق خواهید رسید، شاید استیو جابز را نفرین کنید و سپس یک باتری جدید یا حتی یک ابزار جدید بخرید.

اما چرا این اتفاق می افتد؟ چه اتفاقی در باتری می افتد که باعث می شود آخرین نفس خود را ترک کند؟ پاسخ کوتاه این است که به دلیل آسیب های ناشی از قرار گرفتن طولانی مدت در دمای بالا و تعداد زیادی چرخه شارژ و دشارژ، در نهایت حرکت یون های لیتیوم بین الکترودها شروع به مختل می کند.

پاسخ دقیق‌تری که ما را از واکنش‌های شیمیایی ناخواسته، خوردگی، تهدید دمای بالا و سایر عوامل مؤثر بر عملکرد راهنمایی می‌کند، با توضیح آنچه در باتری‌های لیتیوم یونی اتفاق می‌افتد آغاز می‌شود، وقتی همه چیز به خوبی کار می‌کند.

آشنایی با باتری های لیتیوم یونی

در طول شارژ، جریان الکتریکی یون های لیتیوم را از کاتد به آند منتقل می کند. در حین تخلیه (به عبارت دیگر، هنگام استفاده از باتری)، یون ها به سمت کاتد حرکت می کنند.

دانیل آبراهام، دانشمند آزمایشگاه ملی آرگون که تحقیقات علمی در مورد تخریب سلول‌های لیتیوم یونی انجام می‌دهد، این فرآیند را با آب در یک سیستم هیدروالکتریک مقایسه کرد. حرکت آب به سمت بالا نیاز به انرژی دارد، اما به راحتی به پایین جریان می یابد. آبراهام می گوید که در واقع انرژی جنبشی را تامین می کند، به طور مشابه، اکسید لیتیوم-کبالت در کاتد "نمی خواهد لیتیوم خود را رها کند." مانند آب که به سمت بالا حرکت می کند، انرژی برای حرکت اتم های لیتیوم از اکسید و داخل آند مورد نیاز است.

در طول شارژ، یون ها بین صفحات گرافیت که آند را تشکیل می دهند قرار می گیرند. اما، همانطور که ابراهیم گفت، "آنها نمی خواهند آنجا باشند، در اولین فرصت به عقب برمی گردند" زیرا آب در سراشیبی جریان دارد. این ترشح است. یک باتری با عمر طولانی چندین هزار چرخه شارژ-دشارژ را تحمل می کند.

چه زمانی باتری مرده واقعاً از بین می رود؟

از طرف دیگر، در تلفن های همراه، قدرت بالا کمتر از ظرفیت یا میزان توانی که یک باتری می تواند نگه دارد، اهمیت دارد. باتری های با ظرفیت بالا با یک بار شارژ بیشتر عمر می کنند.

با گذشت زمان، باتری به روش‌های مختلفی تحلیل می‌رود که می‌تواند هم ظرفیت و هم قدرت را تحت تأثیر قرار دهد، تا زمانی که در نهایت نمی‌تواند عملکردهای اساسی را انجام دهد.

در یک قیاس آب دیگر به آن فکر کنید: شارژ باتری مانند پر کردن یک سطل با آب لوله کشی است. حجم سطل نشان دهنده ظرفیت یا ظرفیت باتری است. سرعتی که می توانید آن را پر کنید - با باز کردن شیر آب با قدرت کامل یا قطره چکان - قدرت است. اما زمان، دمای بالا، چرخه های متعدد و عوامل دیگر در نهایت سوراخی در سطل ایجاد می کنند.

در قیاس سطل، آب از آن عبور می کند. آبراهام می‌گوید: در باتری، یون‌های لیتیوم حذف می‌شوند یا «به هم متصل می‌شوند». در نتیجه توانایی حرکت بین الکترودها را از دست می دهند. بنابراین پس از گذشت چند ماه، تلفن همراهی که در ابتدا هر دو روز یک بار باید شارژ می شد، اکنون باید هر روز شارژ شود. سپس دو بار در روز. در نهایت، تعداد زیادی یون لیتیوم "پیوند" می شود و باتری شارژ مفیدی در خود نگه نمی دارد. سطل آب را نگه نخواهد داشت.

چه چیزی می شکند و چرا

مشکل این است که ساختار کریستالی می تواند با هر بار شارژ و تخلیه تغییر کند. یون های آپارتمان A لزوما به خانه باز نمی گردند، اما می توانند به آپارتمان B همسایه منتقل شوند. سپس یون آپارتمان B جای خود را در این ولگرد اشغال کرده و بدون درگیری تصمیم می گیرد در راهرو مستقر شود. و غیره.

به تدریج، این "انتقال فاز" در ماده، کاتد را به یک ساختار بلوری جدید از یک کریستال با خواص الکتروشیمیایی متفاوت تبدیل می کند. آرایش دقیق اتم هایی که در ابتدا عملکرد مورد نیاز را فراهم می کند متفاوت است.

آبراهام خاطرنشان می‌کند که در باتری‌های خودروهای هیبریدی، که تنها برای تامین نیرو در هنگام شتاب گرفتن یا ترمز خودرو مورد نیاز هستند، این تغییرات ساختاری بسیار کندتر از خودروهای الکتریکی اتفاق می‌افتد. این به این دلیل است که در هر چرخه فقط بخش کوچکی از یون های لیتیوم در سیستم حرکت می کنند. در نتیجه بازگشت به موقعیت اولیه برای آنها آسانتر است.

مشکل خوردگی

اگر ماده اتصال از بین برود، این منجر به "لایه شدن" سطح کلکتور فعلی می شود. اگر فلز خورده شود، نمی تواند الکترون ها را به طور موثر حرکت دهد.

خوردگی در باتری می تواند در اثر تعامل بین الکترولیت و الکترودها ایجاد شود. آند گرافیت "رها کننده نور" است، یعنی. به راحتی به الکترولیت الکترون می دهد. این می تواند منجر به پوشش نامطلوب روی سطح گرافیت شود. آبراهام می‌گوید که کاتد بسیار «اکسیدپذیر» است، به این معنی که به راحتی الکترون‌ها را از الکترولیت می‌پذیرد، که در برخی موارد می‌تواند آلومینیوم کلکتور جریان را خورده یا پوششی روی قسمت‌هایی از کاتد ایجاد کند.

خیلی خوبه

با این حال، در واقعیت، TEI یک مدافع بسیار ناپایدار است. آبراهام می‌گوید که در دمای اتاق به خوبی از گرافیت محافظت می‌کند، اما در دماهای بالا یا زمانی که باتری به صفر می‌رسد ("دشارژ عمیق")، EMT می‌تواند تا حدی در الکترولیت حل شود. در دماهای بالا، الکترولیت ها نیز تمایل به تجزیه دارند و واکنش های جانبی تسریع می شود.

هنگامی که شرایط مساعد بازگردد، لایه محافظ دیگری تشکیل می شود، اما این مقداری از لیتیوم را می خورد و منجر به مشکلاتی مانند یک سطل نشتی می شود. ما مجبوریم تلفن همراه خود را بیشتر شارژ کنیم.

بنابراین، ما به یک TEI برای محافظت از آند گرافیتی نیاز داریم، و در این مورد، ممکن است واقعاً خوب باشد. اگر لایه محافظ بیش از حد ضخیم شود، به سدی در برابر یون های لیتیوم تبدیل می شود که لازم است آزادانه به جلو و عقب حرکت کنند. این بر قدرت تأثیر می گذارد، که آبراهام به آن اشاره می کند که برای وسایل نقلیه الکتریکی «بسیار مهم» است.

ساخت باتری های بهتر

در همین حال، مهندسان شرکت‌های باتری‌سازی و خودروهای الکتریکی روی محفظه‌ها و سیستم‌های مدیریت حرارتی کار می‌کنند تا باتری‌های لیتیوم یونی را در محدوده دمایی ثابت و سالم نگه دارند. ما به‌عنوان مصرف‌کننده، مجبوریم از دماهای شدید و تخلیه‌های عمیق اجتناب کنیم و همچنان درباره باتری‌هایی که به نظر می‌رسد همیشه خیلی سریع می‌میرند، غر می‌زنیم.

در میان مدرن ترین باتری ها، لیتیوم جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده است. در شیمی، لیتیوم فعال ترین فلز است.

منبع ذخیره انرژی عظیمی دارد. 1 کیلوگرم لیتیوم قادر است 3860 آمپر ساعت را ذخیره کند. روی معروف بسیار عقب است. او این رقم را 820 آمپر ساعت دارد.

سلول های مبتنی بر لیتیوم می توانند ولتاژ تا 3.7 ولت تولید کنند. اما نمونه های آزمایشگاهی قادر به تولید ولتاژ حدود 4.5 ولت هستند.

لیتیوم خالص در باتری های لیتیومی مدرن استفاده نمی شود.

امروزه از 3 نوع باتری لیتیومی استفاده می شود:

لیتیوم یون ( لیتیوم یون). ولتاژ نامی (نام U) - 3.6 ولت؛

لیتیوم پلیمر ( لیپو, پلیمر لییا "لیپو"). U nom. - 3.7 ولت؛

لیتیوم فسفات آهن ( Li-Feیا LFP ). U nom. - 3.3 ولت

همه این نوع باتری های لیتیومی در مواد کاتد یا الکترولیت متفاوت هستند. یون لیتیوم از کاتد لیتیوم کبالتات استفاده می کند LiCoO 2، Li-Po از الکترولیت پلیمری ژل استفاده می کند و Li-Fe از کاتد لیتیوم فرو فسفات استفاده می کند. LiFePO 4.

هر باتری لیتیومی (یا دستگاهی که در آن کار می کند) مجهز به یک مدار الکترونیکی کوچک - یک کنترل کننده شارژ / تخلیه است. از آنجایی که باتری های لیتیومی به شارژ بیش از حد و تخلیه عمیق بسیار حساس هستند، این امر ضروری است. اگر هر باتری لیتیومی را از تلفن همراه "باز کنید"، می توانید یک مدار الکترونیکی کوچک در آن پیدا کنید - این کنترل کننده محافظ است ( آی سی حفاظتی ).

اگر کنترل کننده داخلی (یا ناظر شارژ) در باتری لیتیومی وجود نداشته باشد، چنین باتری محافظت نشده نامیده می شود. در این حالت کنترلر داخل دستگاه تعبیه شده است که با چنین باتری تغذیه می شود و شارژ فقط از دستگاه یا از شارژر مخصوص امکان پذیر است.

عکس یک باتری Li-Po محافظت نشده را نشان می دهد Turnigy 2200mAh 3C 25C Lipo Pack. این باتری از 3 سلول متصل به صورت سری (3C - 3 سلولی) 3.7 ولت تشکیل شده است و بنابراین دارای یک کانکتور متعادل کننده است. جریان تخلیه مداوم می تواند به 25 درجه سانتیگراد برسد، یعنی. 25 * 2200 میلی آمپر = 55000 میلی آمپر = 55 آمپر! و جریان تخلیه کوتاه مدت (10 ثانیه) - 35 درجه سانتیگراد!

باتری های لیتیومی که چندین سلول به صورت سری به هم متصل هستند، به یک شارژر پیچیده مجهز به متعادل کننده نیاز دارند. چنین عملکردی برای مثال در شارژرهای جهانی مانند Turnigy Accucell 6 و IMAX B6 اجرا می شود.

متعادل کننده برای یکسان سازی ولتاژ روی سلول های جداگانه در طول شارژ باتری لیتیومی کامپوزیت مورد نیاز است. به دلیل تفاوت بین سلول ها، برخی ممکن است سریع تر و برخی دیگر کندتر شارژ شوند. بنابراین، یک مدار شنت جریان شارژ ویژه استفاده می شود.

این سیم کشی برای کابل متعادل کننده و برق باتری LiPo در 11.1 ولت است.

همانطور که می دانید، شارژ بیش از حد یک سلول باتری لیتیومی (به ویژه Li-Polymer) بیش از 4.2 ولت می تواند منجر به انفجار یا احتراق خود به خودی شود. بنابراین در هنگام شارژ، کنترل ولتاژ ضروری است روی هر سلولباتری کامپوزیت باتری!

شارژ صحیح باتری های لیتیومی

باتری های لیتیومی (Li-ion، Li-Po، Li-Fe) شارژ می شوند به روش CC/CV ("جریان ثابت/ولتاژ ثابت"). این روش شامل این واقعیت است که در ابتدا، زمانی که ولتاژ روی عنصر کم است، با جریان ثابتی با مقدار مشخصی شارژ می شود. هنگامی که ولتاژ روی عنصر می رسد (به عنوان مثال، تا 4.2 ولت - بستگی به نوع باتری دارد)، کنترل کننده شارژ یک ولتاژ ثابت را روی آن نگه می دارد.

مرحله اولشارژ باتری لیتیومی - CC- از طریق بازخورد اجرا می شود. کنترل کننده ولتاژ عنصر را به گونه ای انتخاب می کند که جریان شارژ کاملاً ثابت باشد.

در مرحله اول شارژ، باتری لیتیومی بیشتر انرژی (60 تا 80 درصد) را جمع می کند.

مرحله دومشارژ - رزومه- زمانی شروع می شود که ولتاژ روی عنصر به حد آستانه مشخصی برسد (مثلاً 4.2 ولت). پس از آن، کنترل کننده به سادگی ولتاژ ثابتی را روی عنصر حفظ می کند و جریان مورد نیاز را به آن می دهد. با پایان شارژ، جریان به مقدار 30 - 10 میلی آمپر کاهش می یابد. در این جریان، عنصر باردار در نظر گرفته می شود.

در مرحله دوم، باتری 40 تا 20 درصد انرژی باقی مانده را جمع می کند.

شایان ذکر است که تجاوز از ولتاژ آستانه در باتری لیتیومی مملو از گرمای بیش از حد و حتی انفجار آن است!

هنگام شارژ باتری های لیتیومی، توصیه می شود آنها را در یک کیسه غیر قابل اشتعال قرار دهید. این امر به ویژه در مورد باتری هایی که جعبه خاصی ندارند صادق است. به عنوان مثال، آنهایی که در مدل های رادیو کنترلی (خودکار، مدل سازی هواپیما) استفاده می شوند.

معایب باتری های لیتیوم یونی

اصلی‌ترین و ترسناک‌ترین عیب باتری‌های لیتیومی، من آنها را خطر آتش‌سوزی در صورت افزایش ولتاژ کار، گرمای بیش از حد، شارژ نامناسب و عملکرد بی‌سواد می‌نامم. به خصوص شکایات زیادی در مورد باتری های لیتیوم پلیمر (Li-Polymer) وجود دارد. با این حال، باتری های لیتیوم-آهن-فسفات (Li-Fe) چنین ویژگی منفی ندارند - آنها ضد حریق هستند.

همچنین، باتری های لیتیومی از سرما بسیار می ترسند - آنها به سرعت ظرفیت خود را از دست می دهند و شارژ را متوقف می کنند. این در مورد باتری های Li-ion و Li-Po صدق می کند. باتری های لیتیوم آهن فسفات (Li-Fe) در برابر یخ زدگی مقاوم تر هستند. در واقع، این یکی از ویژگی های مثبت باتری های Li-Fe است.

نقطه ضعف باتری های لیتیومی این است که آنها به یک کنترل کننده شارژ ویژه - یک مدار الکترونیکی نیاز دارند. و در مورد باتری کامپوزیت و بالانس.

باتری های لیتیومی وقتی عمیقاً دشارژ می شوند، خواص اصلی خود را از دست می دهند. باتری های Li-ion و Li-Po به ویژه از تخلیه عمیق می ترسند. حتی پس از بازیابی، چنین باتری ظرفیت کمتری خواهد داشت.

اگر باتری لیتیومی برای مدت طولانی "کار نمی کند" ، در ابتدا ولتاژ روی آن به سطح آستانه (معمولاً 3.2-3.3 ولت) کاهش می یابد. مدار الکترونیکی سلول باتری را به طور کامل خاموش می کند و سپس تخلیه عمیق آغاز می شود. اگر ولتاژ روی سلول به 2.5 ولت کاهش یابد، این می تواند منجر به خرابی آن شود.

بنابراین، ارزش آن را دارد که باتری لپ تاپ ها، تلفن های همراه، پخش کننده های mp3 را هر چند وقت یکبار در مدت زمان طولانی از کار بیاندازید.

به طور معمول، عمر باتری لیتیومی معمولی 3 تا 5 سال است. پس از 3 سال، ظرفیت باتری به طور قابل توجهی شروع به کاهش می کند.

انواع باتری های لیتیومی و ویژگی های طراحی آنها چیست؟

باتری های لیتیومی در بازار مدرن به طور محکم چندین سوله مختلف را اشغال کرده اند. آنها عمدتاً در انواع لوازم الکترونیکی مصرفی، ابزارهای قابل حمل و دستگاه های تلفن همراه، لوازم خانگی و غیره استفاده می شوند. حتی باتری های لیتیومی 12 ولتی برای اتومبیل ها وجود دارد. اگرچه هنوز توزیع گسترده ای در صنعت خودرو دریافت نکرده اند. استفاده از باتری‌های لیتیومی در بخش‌های مختلف اقتصاد باعث شده است که انواع زیادی از این باتری‌ها در بازار ظاهر شوند. در مقاله امروز انواع اصلی باتری های لیتیومی را در نظر خواهیم گرفت.

ما در اینجا در مورد اصل عملکرد باتری های Li و تاریخچه وقوع آنها نخواهیم نوشت. می توانید اطلاعات بیشتری در مورد آن در مقاله در لینک ارائه شده بخوانید. همچنین می توانید مطالب را جداگانه در مورد و مطالعه کنید. و در این مواد می خواهم دقیقاً انواع مختلف باتری های لیتیوم را بسته به ویژگی ها و هدف آنها در نظر بگیرم.

بنابراین، با توجه به قدرت و ظرفیت باتری های لیتیومی. تقسیم در اینجا کاملاً خودسرانه است. به منظور تولید باتری با ظرفیت های مختلف، با جریان های تخلیه متفاوت، سازندگان تعدادی پارامتر را تغییر می دهند. به عنوان مثال، آنها ضخامت لایه جرم الکترود روی فویل را تنظیم می کنند (در مورد ساختار رول). در بیشتر موارد، این لایه الکترود با فویل مس (الکترود منفی) و آلومینیوم (مثبت) اعمال می شود. با توجه به این افزایش در لایه الکترود، پارامترهای خاص باتری افزایش می یابد.

با این حال، هنگام افزایش جرم فعال، لازم است ضخامت پایه رسانا (فویل) کاهش یابد. در نتیجه باتری می تواند جریان کمتری را بدون گرم شدن بیش از حد عبور دهد. علاوه بر این، افزایش لایه جرم الکترود منجر به افزایش مقاومت عنصر می شود. برای کاهش مقاومت، اغلب از مواد فعال تر و پراکنده تر برای توده فعال استفاده می شود. با این پارامترها، سازندگان هنگام آزاد کردن باتری ها با پارامترهای خاص "بازی" می کنند. یک سلول باتری با یک فویل نازک و یک جرم فعال ضخیم مقادیر بالایی از انرژی ذخیره شده را نشان می دهد. و قدرت آن کم خواهد بود و بالعکس. و بدون تغییر سایز محصول قابل تنظیم است.

باتری هایی با ظرفیت ها و جریان های تخلیه متفاوت با تغییر پارامترهای زیر به دست می آیند:

• ضخامت فویل؛
• ضخامت جداکننده؛
• مواد الکترود مثبت و منفی؛
• اندازه ذرات جرم فعال؛
• ضخامت الکترود.

در عین حال، مدل‌های باتری طراحی‌شده برای توان بالاتر به سرنخ‌های فعلی با اندازه و وزن بزرگ مجهز هستند. این کار برای جلوگیری از گرمای بیش از حد انجام می شود. همچنین برای افزایش جریان تخلیه از مواد مختلفی استفاده می شود که به الکترولیت یا به جرم الکترود اضافه می شود. در باتری های با ظرفیت زیاد، سیم های جریان معمولا کوچک هستند. آنها برای جریان تخلیه تا 2 درجه سانتیگراد (معمولاً جریان شارژ-دشارژ باتری از ظرفیت آن نشان داده می شود) و جریان شارژ تا 0.5 درجه سانتیگراد محاسبه می شوند. برای باتری های لیتیومی با ظرفیت بالا، این مقادیر به ترتیب تا 20 درجه سانتیگراد و تا 40 درجه سانتیگراد است.

مدل‌های باتری‌های لیتیومی با قدرت بالا برای تغذیه استارت‌ها، با ظرفیت بالا - برای تغذیه تجهیزات مختلف قابل حمل طراحی شده‌اند. در مورد توسعه باتری های لیتیومی، تولید کنندگان انواع لوازم الکترونیکی آنها را از شرکت های خاص سفارش می دهند. آنها با در نظر گرفتن شرایط پیشنهادی آنها را توسعه می دهند و سپس آنها را در تولید انبوه قرار می دهند. هنگام توسعه باتری های لیتیوم مدرن، پارامترهای زیر در نظر گرفته می شود:

• ظرفیت؛
• جریان تخلیه منظم و حداکثر؛
• ابعاد؛
• شرایط مکان در داخل دستگاه؛
• دمای کار؛
• منبع (تعداد چرخه های شارژ-تخلیه) و دیگران.

طرح های مختلف باتری های لیتیومی

با توجه به ویژگی های طراحی، باتری های لیتیومی را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

• طراحی بدنه؛
• ساختار الکترودها

طراحی الکترود

نوع رول

در تصویر زیر یک باتری Li─Ion با طراحی رول را مشاهده می کنید.

عناصر ساختار رول از دو نوع ساخته می شوند:

• رول الکترود در اطراف صفحه مجازی پیچ خورده است. یک محفظه می تواند چندین رول متصل به موازات را در خود جای دهد.
• استوانه ای. ارتفاع و قطرهای مختلف.

طراحی رول در مواردی استفاده می شود که باتری با ظرفیت و قدرت کم مورد نیاز است. این فناوری کار فشرده ای است، زیرا چرخاندن نوارهای الکترود و جداکننده کاملاً خودکار است. نقطه ضعف این طرح اتلاف حرارت ضعیف از الکترودها است. در واقع، گرما تنها از طریق صفحه انتهایی المنت حذف می شود.

از مجموعه ای از الکترودها

باتری های لیتیومی با مجموعه ای از الکترودهای جداگانه در تولید باتری های منشوری استفاده می شود.

گرما در اینجا نیز از انتهای الکترود حذف می شود. تولیدکنندگان در تلاشند تا با تنظیم ترکیب و پراکندگی جرم فعال، اتلاف گرما را بهبود بخشند.

طراحی بدنه

استوانه ای

ارزش توجه به باتری های لیتیومی استوانه ای را دارد. آنها به طور گسترده ای در انواع لوازم خانگی و الکترونیک استفاده می شوند. سلول های باتری به ویژه محبوب هستند.

به عنوان مزایای یک بدنه استوانه ای، کارشناسان عدم تغییر حجم را در طول کارکرد طولانی مدت می نامند. این به این دلیل است که باتری در طول فرآیند شارژ-دشارژ کمی تغییر حجم می دهد. طراحی الکترودها در چنین حالتی همیشه از نوع رول است. از معایب آن می توان به اتلاف حرارت ضعیف اشاره کرد.

باتری های لیتیومی استوانه ای می توانند خروجی های جریان زیر را داشته باشند:

• بورهای پیچ;
• پدهای تماس معمولی.

در مواردی که نیاز به جریان بیشتری وجود دارد، از فرزهای پیچ استفاده می شود. این باتری با جریان تخلیه زیاد و ظرفیت زیاد (بیش از 20 Ah) است. آزمایش‌های متعدد نشان می‌دهد که باتری‌های لیتیومی استوانه‌ای با مارپیچ می‌توانند جریان‌های بیش از 10-15 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند. و این مقادیر بار کوتاه مدت است که در آن عنصر به سرعت بیش از حد گرم می شود. در طول عملیات طولانی مدت، آنها در برابر جریان تخلیه 2-3 درجه سانتیگراد مقاومت می کنند. عمدتاً در ابزارهای برقی قابل حمل استفاده می شود.

سلول‌های باتری با پدهای تماسی معمولاً برای ترکیب شدن در باتری‌ها استفاده می‌شوند. برای انجام این کار، آنها با یک نوار با استفاده از جوش تماسی جوش داده می شوند. گاهی اوقات تولید کنندگان قبلاً عناصری با گلبرگ برای خود لحیم کاری تولید می کنند. علاوه بر این، بسته به نوع لحیم کاری ممکن است نوع گلبرگ ها متفاوت باشد.

تعیین اندازه باتری های لیتیومی استوانه ای معمولاً شامل ابعاد آنها است. به عنوان مثال، سلول های لیتیوم یونی 18650 دارای 65 میلی متر ارتفاع و 18 میلی متر قطر هستند.