Lityum iyon li ion piller. Lityum iyon pil türleri (Li-ion)

Lityum-iyon (Li-iyon) piller için tüketici pazarı, yaklaşık 10 milyar dolar gibi çok büyük ve yılda yalnızca %2 büyüyerek oldukça dirençli. Peki ya elektrikli arabalar, soruyorsunuz? Nitekim önümüzdeki yıllarda elektrikli araçların gelişmesi nedeniyle lityum iyon pillerin yıllık büyüme oranının %10 olacağı tahmin ediliyor. Şaşırtıcı bir şekilde, pazar büyümesinin en büyük alanı Li-ion piller hala "diğer her şey" olarak kalıyor, cep telefonları ve forkliftlerle bitiyor.

Lityum-iyon piller için "diğer" uygulamaların ortak bir noktası vardır - bunlar, mühürlü kurşun asit (SLA) pillerle çalışan cihazlardır. Kurşun asitli aküler, yaklaşık 200 yıldır elektronik pazarında liderliği elinde tutuyor, ancak lityum-iyon piller tarafından birkaç yıl boyunca pazarın dışına itildi. Çoğu durumda lityum-iyon piller kurşun-asit pillerin (akümülatörlerin) yerini almaya başladığından, geleneksel SLA cihazları yerine Li-ion kullanmanın temel teknik özelliklerini ve ekonomik fizibilitesini vurgulayarak bu iki tür enerji depolama cihazını karşılaştırmaya değer.

Pil uygulamalarının geçmişi

Kurşun asitli pil, 1850'lerde ticari kullanım için geliştirilen ilk şarj edilebilir pildi. 150 yılı aşkın oldukça makul bir yaşa rağmen, hala aktif olarak kullanılmaktadırlar. modern cihazlar. Dahası, onsuz yapmanın oldukça mümkün göründüğü uygulamalarda aktif olarak kullanılırlar. modern teknolojiler. Kaynaklar gibi bazı yaygın aygıtlar SKB'yi yoğun bir şekilde kullanır. kesintisiz güç kaynağı(UPS), golf arabaları veya forkliftler. Şaşırtıcı bir şekilde, bazı nişler ve projeler için kurşun asit pil pazarı hala büyüyor.

Kurşun asit teknolojisindeki ilk, oldukça somut yenilik, 1970'lerde kapalı SBC'lerin veya bakım gerektirmeyen SBC'lerin icadıyla geldi. Bu modernizasyon, pilleri şarj ederken / boşaltırken gazları boşaltmak için özel valflerin ortaya çıkmasından oluşuyordu. Ek olarak, nemlendirilmiş bir ayırıcının kullanılması, pilin elektrolit sızıntısı olmadan eğimli bir konumda çalışmasını mümkün kılmıştır.

SKB veya İngilizce. SLA'lar genellikle türe veya uygulamaya göre sınıflandırılır. Şu anda en yaygın iki tür vardır: Valf ayarlı kurşun asit (VRLA) olarak da bilinen jel ve emici cam mat (AGM). AGM aküleri küçük UPS'ler, acil durum ışıkları ve tekerlekli sandalyeler için kullanılırken VRLA baz istasyonları, internet merkezleri ve forkliftler için yedek güç gibi daha büyük uygulamalar içindir. Kurşun asitli aküler ayrıca aşağıdaki kriterlere göre sınıflandırılabilir: otomotiv (marş motoru veya SLI - çalıştırma, aydınlatma, ateşleme); çekiş (çekiş veya derin döngü); sabit (kesintisiz güç kaynakları). Tüm bu uygulamalarda SLA'ların ana dezavantajı yaşam döngüsüdür - tekrar tekrar boşaltılırlarsa ciddi şekilde hasar görürler.

Şaşırtıcı bir şekilde, kurşun asitli aküler, 1980'lerde lityum-iyon pillerin ortaya çıkmasına kadar, onlarca yıldır pil pazarında tartışmasız liderdi. Bir lityum-iyon pil, lityum iyonlarının deşarj sırasında negatif elektrottan pozitife ve şarj sırasında tersi yönde hareket ettiği şarj edilebilir bir hücredir. Lityum- iyon piller ara katkılı lityum bileşikleri kullanın, ancak tek kullanımlık pillerde kullanılan lityum metali içermez.

Lityum-iyon pil ilk olarak 1970'lerde icat edildi. 1980'lerde, kobalt oksit katotlu bir pilin ilk ticari versiyonu piyasaya sürüldü. Bu tür bir cihaz, nikel bazlı sistemlere kıyasla önemli ölçüde daha fazla ağırlık ve kapasite kapasitesine sahipti. Yeni lityum iyon piller, cep telefonu ve dizüstü bilgisayar pazarının büyük büyümesine katkıda bulundu. Başlangıçta, güvenlik endişeleri nedeniyle, birden fazla güvenli seçenekler kobalt oksit katot malzemesine nikel ve manganez bazlı katkı maddelerinin yanı sıra hücre yapısındaki yeniliklerin dahil edildiği.

Piyasadaki ilk lityum-iyon piller sert alüminyum veya çelik kutulardaydı ve tipik olarak yalnızca birkaç silindirik veya prizmatik (tuğla biçimli) form faktöründe geldi. Bununla birlikte, lityum iyon teknolojisinin uygulama yelpazesinin genişlemesiyle bunların genel boyutları da değişmeye başladı.

Örneğin, dizüstü bilgisayarlarda ve cep telefonlarında eski teknolojinin daha ucuz sürümleri kullanılmaktadır. Modern ince lityum polimer hücreler akıllı telefonlarda, tabletlerde ve giyilebilir cihazlarda kullanılmaktadır. Şu anda, lityum iyon piller elektrikli el aletlerinde, elektrikli bisikletlerde ve diğer cihazlarda kullanılmaktadır. Bu varyasyon öneriyor tam değiştirme genel ve güç performansını iyileştirmeyi amaçlayan daha fazla yeni uygulamada kurşun asitli cihazlar.

Kimyasal özellikler

Hücrelerdeki kimyasal süreçlerin temel ilkeleri kurşun-asit ve lityum iyon cihazları belirli özellikler ve çeşitli dereceler işlevsellik. Aşağıda, on yıllardır temel dayanak noktası haline gelen kurşun-asit pillerin bazı avantajları ve şimdi değiştirilmesine yol açan dezavantajların yanı sıra lityum-iyon cihazlar için benzer yönler bulunmaktadır.

Kurşun asit pili

• SKB basit, güvenilir ve ucuzdur. Geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilir.
• Piller, kalıcı olarak şarj edilmiş durumda (SoC) saklanmalıdır ve hızlı şarj edilemez.
• SKB'nin çok fazla ağırlığı var. Gravimetrik enerji yoğunlukları çok düşüktür.
• Kullanım ömrü genellikle 200 ila 300 deşarj/şarj şeklindedir ve bu çok kısadır.
• Şarj/deşarj eğrisi, basit voltaj kontrolü ile SOC'yi ölçmenizi sağlar.

Li-ion pil

• Boyut ve ağırlık bakımından en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler.
• Yaşam döngüsü genellikle 300 ile 500 arasındadır, ancak lityum fosfat hücreleri için binlerce ile ölçülebilir;
• Çok küçük çalışma sıcaklığı aralığı;
• Mevcut çeşitli boyutlar hücreler, şekiller ve diğer özellikler;
• Bakıma gerek yok. Kendi kendine deşarj seviyesi çok düşüktür.
• Güvenlik planlarının uygulanması gereklidir. Sofistike şarj algoritması.
• SoC ölçümleri, voltaj eğrisinin doğrusal olmaması nedeniyle zor kararlar gerektirir.

Elektronik

Pil takımı ile şarj edilebilir pil arasındaki farkı anlamak önemlidir. Hücre, paketin ana kurucu unsurudur. Ek olarak, pakette ayrıca elektronik parçalar, konektörler ve bir kasa bulunur. Yukarıdaki şekil bu cihazların örneklerini göstermektedir. Bir lityum iyon pil, en azından uygulanan hücre koruma ve kontrol devrelerine sahip olmalıdır ve şarj cihazı ve voltaj ölçüm sistemi, kurşun asitli cihazlardan çok daha karmaşıktır.

Lityum-iyon ve kurşun-asit piller kullanıldığında, elektronikteki ana farklar aşağıdaki gibi olacaktır:

Şarj cihazı

Kurşun asitli bir akünün şarj edilmesi, belirli voltaj eşikleri karşılandığı sürece oldukça basittir. İÇİNDE lityum iyon piller demir fosfat torbaları dışında daha karmaşık bir algoritma kullanın. standart yöntem bu tür cihazlar için şarj, sabit akım/sabit voltaj (CC/CV) yöntemidir. İki aşamalı bir şarj işlemi içerir. İlk adım şarj oluyor doğru akım. Bu, hücre voltajı belirli bir eşiğe ulaşana kadar sürer, bundan sonra voltaj sabit kalır ve akım, kesme değerine ulaşana kadar katlanarak azalır.

Şarj Sayımı ve Haberleşme

Daha önce belirtildiği gibi, SCB'nin yükü, basit voltaj ölçme araçlarıyla ölçülebilir. Lityum-iyon pilleri kullanırken, karmaşık algoritmaların ve öğrenme döngülerinin uygulanmasını gerektiren hücrelerin şarj seviyesini kontrol etmek gerekir.

I 2 C, lityum iyon pillerde kullanılan en yaygın ve uygun maliyetli iletişim protokolüdür, ancak gürültü bağışıklığı, mesafe boyunca sinyal bütünlüğü ve toplam bant genişliği açısından sınırlamaları vardır. I2C'nin bir türevi olan SMBus (System Management Bus), daha küçük pillerde çok yaygındır, ancak şu anda güçlü veya daha büyük paketler için etkili bir desteği yoktur. CAN, yüksek gürültülü ortamlar için veya birçok SKB uygulamasında olduğu gibi uzun çalışmaların gerekli olduğu yerler için harikadır, ancak bunun bir bedeli vardır.

Doğrudan değiştirmeler

Kurşun asitli aküler için artık birkaç standart format olduğu vurgulanmalıdır. Örneğin - U1, uygulamalarda kullanılan standart form faktörü yedek güç tıbbi malzeme. Lityum-demir-fosfat pil, kurşun asit için oldukça değerli bir ikame olduğunu kanıtladı. Demir fosfat mükemmel bir yaşam döngüsüne, iyi yük iletkenliğine, gelişmiş güvenliğe ve düşük empedansa sahiptir. Lityum demir fosfat pil voltajları ayrıca kurşun asit voltajlarıyla (12V ve 24V) uyumludur ve aynı şarj cihazlarının kullanılmasına izin verir. Pil bakım ve izleme yazılım paketleri, şarj takibi, şarj/deşarj döngüsü sayacı ve daha fazlası gibi akıllı özellikler içerir.

Lityum demir fosfat piller, depolamada birkaç ay boyunca kapasite kaybeden SKB pillerin aksine %100 kapasiteye sahiptir. Yukarıdaki şekil, iki ürünü ve SKB'den Li-ion'a geçişte kaydedilen ilerleme türlerini karşılaştırmaktadır.

sonuçlar

Kurşun asit kadar enerji depolayabilen çok az pil vardır. bu tür piller birçok güçlü cihaz için uygun maliyetlidir. Lityum iyon teknolojisinin fiyatı sürekli düşüyor ve kimyasal yapılarının ve güvenlik sistemlerinin sürekli iyileştirilmesi, onları kurşun asit teknolojisine layık bir rakip haline getiriyor. Kullanımları için cihazlar, kesintisiz güç kaynaklarından elektrikli araçlara ve dronlara kadar çok farklı olabilir.

Lityum piller

Lityum veya lityum-iyon (Li-ion) piller çoğunlukla cep telefonlarında, dizüstü bilgisayarlarda ve video kameralarda bulunur. Ürünler, piller de pahalıdır, bu nedenle onları diğer tüm pillerden daha yetkin bir şekilde kullanmanız gerekir. Peki Lithium-Ion'un gücü nedir? Muhtemelen burada daha fazla söylenti ve efsane var. İlk olarak, Li-ion pilli ekipman satıcıları pilin "akıllı" olduğunu ve her şeyi kendi başına yapacağını söyleyerek özel ayrılık sözleri vermedikleri için kendi kendine görünmeye başlar. Ama kendi başına değil. Ne de olsa, yeni dizüstü bilgisayar sahiplerinin pili bir ay içinde kullanılmaz hale getirdiği ve ardından bunun için iyi para ödediği kaç durum var? yeni pil. Tabii ki, lityum piller elektronikle dolduruldukları için pahalıdır, ancak ne yazık ki sizi bir aptaldan kurtarmaz.

yeniden deşarj

Nikel pillerde olduğu gibi, lityum piller de aşırı şarj ve aşırı deşarjdan çok korkarlar. Ancak bu piller akıllı cihazlarda kullanıldığından ve kendi şarj cihazlarıyla donatıldığından, elektronik aksamları aşırı şarja izin vermez - bu nedenle. ondan korkamazsın. Ancak aşırı deşarjın kontrol edilmesi daha zordur, bu yüzden en tipik neden erken pil arızası. Tabii ki, dizüstü bilgisayarlar gibi pahalı ve karmaşık cihazlarda, voltaj kritik bir değere düşmeden önce kapatma gerçekleşir. Ancak emsaller, bu acil durum kapatmanın en iyi, mümkünse gündeme getirmemenin daha iyi olduğu bir acil durum önlemi olarak görüldüğünü gösteriyor. Bu en önemli kuraldır - tamamen boşalmayı önlemek için, çünkü alçak gerilim güvenlik devresini devre dışı bırakabilir. İnsanların eğitimle taşınan pilleri "öldürdüğü" olur. Eğitim iyi bir şeydir, ancak lityum piller için 2-3 tam döngü yeterlidir.

Lityum pillerin hafıza etkisi yoktur, bu nedenle istenildiği zaman yeniden şarj edilebilirler, bu nedenle egzersiz yaptıktan sonra pillerin bitmemesi en iyisidir. Önerilen alt eşik %5-10'dur. Kritik alt eşik %3'tür.

Birçok tamamlanmamış döngü veya bir tam

Lityum pillerin ömrü yaklaşık 300 döngüdür. Tam döngü, tam şarj ve tam (yani yaklaşık %3 kapasiteye kadar) deşarj döngüsü veya tam tersi olarak kabul edilir. Pili %50'ye kadar boşaltıp sonra şarj ederseniz, 1/2 döngü, %75'e kadarsa ve şarj edin - 1/4 döngü vb. Bu nedenle, telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar için tam ve tamamlanmamış döngüler arasındaki fayda farkı farklıdır. İnternette inatla bir çok kişinin telefonlarını eksik şarjla şarj ettiği (yani telefonu her gün şarj ettiği) ve sonunda mahvettiği iddia ediliyor. Aynı zamanda, dizüstü bilgisayarlar için, tam döngülerin pili eksik olanlardan daha hızlı tükettiği güvenilir bir şekilde bilinmektedir. Daha yakından incelendiğinde durum netleşir. Li-iyon cihazlar piller (ek malzemelere bakın). Pek çok şeyin denetleyiciye bağlı olduğu ortaya çıktı. Şarj akımını kontrol eden, pilin durumunu izleyen vb. Yani dizüstü bilgisayarlarda kontrolör pilin kendisinde bulunur ve ayarlanır sistem yardımcı programları kalibrasyon gibi. Cep telefonlarında kontrolör telefonun kendisinde bulunur ve kolayca ayarlanamaz. Lityum pillerin hafıza etkisi olmamasına rağmen, "dijital hafıza" adı verilen bir etkisi vardır. Gerçek şu ki, pilin kendisinde bulunan şarj-deşarj kontrol elektroniği, pili kullanan cihazdan bağımsız olarak çalışır. Dahili elektronik, hücre voltaj seviyesini izler, ayarlanan maksimum değere ulaşıldığında şarjı keser (şarj akımı ve akü sıcaklığından kaynaklanan voltaj değişimini dikkate alarak), kritik değere ulaşıldığında deşarjı keser ve bunu "yukarı" olarak bildirir (bu amaçlar için geniş bir aralık özel mikro devreler). "Üst katta" pil izleme sistemi, pilin şarjının kesilme ve boşalma anları hakkındaki bilgilere ve mevcut ölçüm sisteminin okumalarına dayanarak şarj seviyesini hesaplar. Ancak çalışma koşulları, bir donanımın tamamen boşalmasına veya kapanmasına neden olacak şekildeyse Tam şarj gerçekleşmez, birkaç döngüden sonra bu hesaplamalar tam olarak doğru olmayabilir - pil kapasitesi zamanla azalır ve akım ölçerin okumaları her zaman gerçekle örtüşmeyebilir. Tipik olarak, örneğin pil hücrelerinden birinin arızalanması gibi çalışma sırasında ciddi değişiklikler olmadıkça, sapmalar her döngü için yüzde birden fazla değildir. İzleme sistemi "öğrenme", yani pilin toplam kapasitesinin değerini yeniden hesaplama yeteneğine sahiptir, ancak bunun için pilin donanım devreleri harekete geçmeden önce en az bir tam şarj-deşarj döngüsü gerçekleştirmek gerekir. Bu nedenle, çok sık döngülerde kontrolörün yoldan çıktığı ve bu nedenle pil şarjını yanlış hesapladığı ve performans gösterdiği ortaya çıktı. yanlış şarj, pilin bozulmasına neden olur. Bir dizüstü bilgisayarın aksine, bir telefon yeniden kalibre edilemez. İçinde kalan her şey bu durum, denetleyiciyi düzene sokmak için birkaç tam döngü yapmaktır. İdeal olarak, "altın anlam" ilkesine bağlı kalarak tam ve kısmi döngüleri birleştirmeyi öneriyorum. Şahsen bunu cep telefonumla yaptım - sonuç olarak, 2 yıllık çalışmadan sonra kapasite düşüşü norm olan% 40'tan fazla olmadı. Kısmen, zaman da lityum pilleri boşa çıkarmaz - çalışmadan bağımsız olarak zamanla yıpranırlar; yaşları kısadır ve 2-3 yılda bir pil değiştirmek mantıklıdır.

Depolamak

Batarya kullanılmadığında %40 kapasite ile serin bir yerde saklanması tavsiye edilir. Depolama ve çalıştırma için alt sıcaklık sınırı 00 C'dir. Genel olarak, lityum piller şarj edilmeyi sever, yani. nikel olanlardan farklı olarak şarjlı bir durumda saklamak ve tutmak daha iyidir. Ancak uzun süreli depolamada maksimum şarj, pili daha fazla tüketir, bu nedenle %40 şarj en uygun durum olarak kabul edilir.

Pil canlandırma

Genelde pil bitmişse yenisini almak daha iyidir, pahalı olmasına rağmen en mantıklı seçenek budur. Pilleri canlandırmak için güvenilir tarifler görmedim. Burada, özellikle dizüstü bilgisayarlar hakkında, insanların harap olmuş dizüstü bilgisayar pillerini yeniden canlandırdıklarına ve onlarla her şeyin yolunda olduğuna dair gerçek efsaneler var. Bunlardan biri şöyle geliyor: “Pili tamamen boşaltmanız, dizüstü bilgisayarı bir hafta bırakmanız gerekiyor; ardından pili tamamen şarj edin ve ayrıca bir hafta bırakın; iki ay sonra kapasite geri yüklenmelidir.

Cep telefonları için: tam ve kısmi döngüleri birleştirin (“X3” oranında).
Dizüstü bilgisayarlar için: mümkün olduğunca az tam döngü (antrenman sonrası).
Herkes için: %80 döngü yapılması önerilir; tam bir deşarja (%3'ün altında) izin vermeyin.

Modern tüketici elektroniğinde yaygın olarak kullanılan ve elektrikli araçlarda bir enerji kaynağı ve enerji sistemlerinde enerji depolama cihazlarında uygulama alanı bulan. Cep telefonları, laptoplar, elektrikli araçlar, dijital kameralar ve video kameralar gibi cihazlarda en çok kullanılan pil türüdür. İlk lityum-iyon pil, 1991 yılında Sony Corporation tarafından piyasaya sürüldü.

Özellikler

Elektro-kimyasal devreye bağlı olarak, lityum iyon piller aşağıdaki özellikleri gösterir:

• Tek bir hücrenin voltajı 3,6 V'tur.
• Maksimum voltaj 4,2 V, minimum 2,5-3,0 V. Şarj cihazları, 4,05-4,2 V aralığında voltajı destekler
• Enerji yoğunluğu : 110 … 230 W*h/kg
• İç direnç : 5 … 15 mOhm/1Ah
• %20 kapasite kaybından önceki şarj/deşarj döngü sayısı: 1000-5000
• Zaman hızlı şarj: 15 dk - 1 saat
• Oda sıcaklığında kendi kendine deşarj: ayda %3
• Kapasitansa göre yük akımı (C):
  • sabit - 65C'ye kadar, darbeli - 500C'ye kadar
  • en kabul edilebilir: 1C'ye kadar
• Çalışma sıcaklığı aralığı: -0 ... +60 °C (düşük sıcaklıklarda piller şarj edilemez)

Cihaz

Bir lityum-iyon pil, elektrolit emdirilmiş gözenekli ayırıcılarla ayrılmış elektrotlardan (alüminyum folyo üzerinde katot malzemesi ve bakır folyo üzerinde anot malzemesi) oluşur. Elektrot paketi kapalı bir kutuya yerleştirilir, katotlar ve anotlar akım toplayıcı terminallerine bağlanır. Gövde, acil durumlarda ve çalışma koşullarının ihlali durumunda iç basıncı tahliye eden bir emniyet valfine sahiptir. Lityum-iyon piller, kullanılan katot malzemesinin türüne göre farklılık gösterir. Bir lityum-iyon pildeki akım taşıyıcı, diğer malzemelerin kristal kafesine (örneğin grafit, metal oksitler ve tuzlar) bir kimyasal bağ oluşumu ile birleştirme (birleştirme) yeteneğine sahip pozitif yüklü bir lityum iyondur, örneğin: LiC6, oksitler (LiMO 2) ve metal tuzları (LiM R O N) oluşumu ile grafite. Başlangıçta negatif plakalar olarak metalik lityum, ardından kömür koku kullanıldı. Daha sonra grafit kullanılmaya başlandı. Yakın zamana kadar, pozitif plakalar olarak kobalt veya manganez içeren lityum oksitler kullanılıyordu, ancak bunların yerini giderek daha güvenli, ucuz ve toksik olmayan ve çevre dostu bir şekilde imha edilebilen lityum ferrofosfat alıyor. Lityum-iyon piller, izleme ve kontrol sistemi - SKU veya BMS (pil yönetim sistemi) ve özel bir şarj / deşarj cihazı içeren bir sette kullanılır. Şu anda, lityum iyon pillerin seri üretiminde üç sınıf katot malzemesi kullanılmaktadır: - lityum kobaltat LiCoO 2 ve izoyapısal lityum nikelata dayalı katı çözeltiler - lityum manganez spinel LiMn 2 O 4 - lityum ferrofosfat LiFePO 4 . Lityum-iyon pillerin elektrokimyasal devreleri: lityum-kobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 lityum-ferrofosfat LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

Düşük kendi kendine deşarj ve çok sayıda şarj-deşarj döngüsü nedeniyle, Li-ion piller en çok alternatif enerjide kullanım için tercih edilir. Ayrıca, BMS sistemine (SKU) ek olarak invertörler (gerilim dönüştürücüler) ile donatılmıştır.

Avantajlar

• Yüksek enerji yoğunluğu.
• Düşük kendi kendine deşarj.
• Hafıza etkisi yok.
• Bakım gerektirmeyen.

Kusurlar

İlk nesil Li-ion piller, patlayıcı bir etkiye maruz kaldı. Bu, çoklu şarj/deşarj döngüleri sırasında elektrotların kısa devresine ve bunun sonucunda yangına veya patlamaya yol açan uzaysal oluşumların (dendritlerin) ortaya çıktığı metalik lityumdan yapılmış bir anot kullanmalarıyla açıklandı. Bu sorun nihayet anot malzemesinin grafit ile değiştirilmesiyle çözüldü. Çalışma koşulları ihlal edildiğinde (şarj edildiğinde) kobalt oksit bazlı lityum iyon pillerin katotlarında da benzer işlemler meydana geldi. Lityum-ferro-fosfat piller bu eksikliklerden tamamen yoksundur. Ek olarak, tüm modern lityum iyon piller, aşırı şarjı ve aşırı şarj nedeniyle aşırı ısınmayı önleyen yerleşik bir elektronik devre ile donatılmıştır.

Kontrolsüz deşarja sahip Li-ion piller, diğer pil türlerine göre daha kısa bir kullanım ömrüne sahip olabilir. Tamamen boşaldığında, lityum iyon piller, şarj voltajı bağlandığında şarj olma özelliğini kaybeder. Bu sorun, daha yüksek voltaj darbesi uygulanarak çözülebilir, ancak bu, lityum iyon pillerin diğer özelliklerini olumsuz etkiler. Bir Li-ion pilin maksimum "ömrü", şarj yukarıdan %95 seviyesinde sınırlandığında ve deşarj %15-20 olduğunda elde edilir. Bu çalışma modu, herhangi bir lityum iyon pille birlikte verilen BMS izleme ve kontrol sistemi (SKU) tarafından desteklenir.

Li-ion piller için optimum saklama koşulları, pil kapasitesinin %40-70'i seviyesinde ve yaklaşık 5 °C sıcaklıkta şarj edildiğinde elde edilir. nerede düşük sıcaklık uzun süreli depolama sırasında düşük kapasite kaybı için daha önemli bir faktördür. Bir lityum iyon pilin ortalama raf ömrü (hizmet ömrü), 24 ila 60 ay arasında değişebilmekle birlikte ortalama 36 aydır.

Depolama kapasitesi kaybı:

Lityum-iyon pillerin saklanması ve çalıştırılmasına ilişkin mevcut tüm düzenlemelere göre, uzun süreli depolama sağlamak için pillerin her 6-9 ayda bir %70 kapasite seviyesinde şarj edilmesi gerekmektedir.

Ayrıca bakınız

notlar

Edebiyat

• Khrustalev D. A. Akümülatörler. M: Zümrüt, 2003.
• Yuri Filippovsky Mobil yemek. Bölüm 2. (RU). ComputerraLab (26 Mayıs 2009). - Li-ion piller hakkında ayrıntılı makale Erişim tarihi: 26 Mayıs 2009.

Bağlantılar

• GOST 15596-82 Terimler ve tanımlar.
• GOST 61960-2007 Lityum piller ve şarj edilebilir piller
• Lityum-iyon ve lityum-polimer piller. iXBT (2001)
• Yerli üretim lityum-iyon piller

En modern elektronik aletler dizüstü bilgisayar, telefon veya oynatıcı gibi cihazlar, kendi kendine güç kaynağı görevi gören lityum-iyon pillerle donatılmıştır. Bu iyon piller nispeten yakın zamanda geliştirildi, ancak özelliklerinden dolayı tasarımcılar ve cihaz üreticileri arasında büyük popülerlik kazandılar. Şimdi, çeşitli ek olarak Ev aletleri, dekorasyon ve onarım için birçok alet, tornavidalar veya kesme makineleri bu tür güç kaynakları ile donatılmıştır. Bu makalede, lityum iyon pil türleri, kapsamları ve çalışma ilkeleri ele alınmaktadır.

Lityum iyon pil türleri

Enerjiyi depolama ve tüketilen cihaza boşaltma prensibiyle çalışan ve tek bir lityum iyon ünitesinde birleştirilebilen birkaç tür şarj edilebilir pil vardır. Bu piller şunları içerir:

1. Lityum kobalt pil. Böyle bir cihaz, bir grafit anot ve kobalt oksitten yapılmış bir katottan oluşur. Katot, parçalar arasında boşluklar olan bir plaka yapısına sahiptir, bu nedenle güç tüketildiğinde, anottan plakalara lityum iyonları sağlanır, bir elektromanyetik reaksiyon meydana gelir ve terminallere voltaj uygulanır. Böyle bir sistemin dezavantajı, mekanizmanın sıcaklık değişimlerine karşı zayıf direncidir, çünkü negatif değerlerde pil tüketiciye bağlı olmasa bile boşalır. Ürünün yeniden şarj edilmesi sırasında akımın yönü değişir ve lityum iyonları katotlardan anotlara girer, birikir ve voltaj yükselir. Şarj cihazını, anma gerilimi parça değerinden daha yüksek olan bir pile bağlamak kesinlikle yasaktır, aksi takdirde pil aşırı ısınabilir, plakalar eriyebilir ve kasa çatlayabilir;
2. Lityum manganez pil. Ayrıca, çalışma ortamı üç boyutlu çapraz şekilli tüneller şeklinde manganez spinelden yapılmış lityum-iyon piller için de geçerlidir. Kobalt sisteminin aksine, bu tür bir baz, lityum iyonlarının anottan katoda ve ayrıca cihaz kontaklarına engelsiz geçişini sağlar. Bir lityum-iyon manganez pilin ana avantajı, malzemenin düşük direncidir, bu nedenle bu tür piller genellikle hibrit araçlar için kullanılır, tüketen bir araç çok sayıda akım veya otonom olarak çalışan tıbbi ekipmanda. Şarj sırasında pilin 80 dereceye kadar ısıtılmasına izin verilir ve anma akımı 20-30 Ampere kadar çıkabilir. Bataryanın voltajı 50 A'den yüksek olan bir akımla iki saniyeden fazla hareket ettirilmesi önerilmez, aksi takdirde spineller aşırı ısınabilir ve arızalanabilir;

1. Demir fosfat katodlu lityum iyon piller. Nispeten yüksek üretim maliyeti nedeniyle böyle bir pil nadirdir, nihai fiyatı diğer lityum iyon pillerden biraz daha yüksektir. Fosfat katodunun büyük bir avantajı vardır: Ürünün hizmet ömrü ve benzer cihazlardan önemli ölçüde üstün olan yeniden şarj etme sıklığıdır. Çoğu zaman, bu pillerin 10 ila 50 yıl veya yaklaşık 500 şarj döngüsü garantisi vardır. Bu özelliklerinden dolayı demir fosfat piller, elde edilmesi gerektiğinde endüstride sıklıkla kullanılmaktadır. yüksek voltajçıkışta;
2. Lityum nikel manganez kobalt oksit iyon piller. Bu, katot üretimi için bir malzeme kombinasyonu olan bitmiş ürünün üretim maliyeti ve güvenilirliği açısından en pratik olanıdır. Listelenen maddelerin elektrokimyasal özelliklerinden dolayı bunlardan yapılan katodun direnç değerleri düşüktür, bu nedenle pilin uzun süre boşta kalması sırasında deşarj minimum düzeyde olacaktır. Ayrıca cam veya katot hücresinin boyutunu büyüterek pilin toplam kapasitesini veya voltajı yükseltebilirsiniz. Sır, doğru bir şekilde birleştirildiğinde yüksek elektrokimyasal özelliklere sahip bir zincir oluşturan manganez ve nikel kombinasyonunda yatmaktadır;
3. Lityum titanat pil. 80'lerin başında geliştirilen grafit çekirdekli iyon pillerin aksine bu cihazın katodu lityum titanat nanokristallerden oluşuyor. Bu malzemeden yapılmış katot, pili kısa sürede şarj etmenizi ve voltajı sıfır dirençle korumanızı sağlar. Bu birim genellikle bağımsız sistemlerde kullanılır. sokak aydınlatması enerjiyi kısa sürede biriktirmek ve uzun süre tüketiciye vermek gerektiğinde. Böyle bir sistemin dezavantajı, bitmiş pilin nispeten yüksek maliyetidir, ancak parçanın ömrünün artması nedeniyle hızla kendini amorti eder.

Önemli! Listelenen tüm lityum iyon piller bakım gerektirmeyen pillerdir, bu nedenle hasar veya arıza durumunda pili tamir ettirin veya servise gönderin. servis işleri elektrolit eklemek işe yaramaz. Pil kapağını açmaya yönelik herhangi bir manipülasyon, pil plakalarının tahrip olmasına ve tamamen arızalanmasına yol açacaktır.

Lityum iyon pillerin çalışma prensibi

Tüm lityum iyon piller, parçanın çalışma prensibini etkilemeyen birkaç küçük farklılığa sahip benzer bir yapıya sahiptir. Dış kabuk, çok nadir bulunan kompozit malzemeden, plastik veya ince demir dışı metalden yapılmıştır. Çoğu zaman, pil plastik bir kasadan, tüketici ile temas için metal terminallerden ve pozitif ve negatif voltajlı dahili çubuklardan oluşur. Dahili lityum, sabit bir akıma sahip harici bir cihaz bağlanarak şarj edilir, ancak her ürünün, anot ve katot arasındaki kimyasal reaksiyon nedeniyle oluşan bir birincil şarjı vardır.

Doğal puf grafit görünümüne sahip karbonlu malzemeden yapılmış negatif elektrot üzerindeki işlemler kaotiktir, elektrik yüklü atomlar voltaj kaybetmeden matris boyunca hareket eder. Bu sektördeki tüm göstergeler negatif.

pozitif elektrot lityum pil Yalnızca kobalt veya nikel oksitlerden ve ayrıca lityum manganez spinellerinden yapılır. Deşarj sırasında, lityum iyonları karbon çekirdekten uzaklaşır ve oksijenle reaksiyona girerek katoda nüfuz eder ve dışarı fırlar, ancak pilin gövdesini terk edemezler. Yüklü lityum iyonları voltajlarını kaybeder ve lityum şarj olana kadar anot yüzeyinde kalır. Şarj sırasında, tüm süreç ters sırada gerçekleşir.

Li-ion pil tasarımı

Bir alkalin pil olarak, lityum pil bir silindir şeklinde üretilir veya prizmatik bir şekle sahip olabilir. Silindirik bir pilde, çekirdek olarak rulo haline getirilmiş elektrotlar kullanılır, özel bir kılıfla yalıtılır ve negatif yüklü elemanlara bağlı metal bir kasa içine yerleştirilir. Polariteyi korumak için, negatif kontak altta ve pozitif kontak parçanın üstünde bulunur ve bu elemanlar birbirine değmemelidir, aksi takdirde akım iletken boyunca dolaşacak ve bu da kendiliğinden boşalmaya yol açacaktır.

Bir lityum iyon pilin prizmatik şekli oldukça yaygındır. Bu tasarımda çekirdek, aralarında minimum mesafe bulunan özel plakaların üst üste katlanmasıyla oluşturulur. Böyle bir sistem daha yüksek teknik performans sağlar, ancak piller şarj edilirken plakaların sıkı oturması nedeniyle, çekirdeğin aşırı ısınması ve ızgaranın erimesi mümkündür, bu da parçanın verimliliğinde bir azalmaya yol açar.

Bir ruloya bükülen elektrotlar oval bir silindire dönüştürüldüğünde, bir lityum iyon pil cihazı için birleşik bir sistem bulmak alışılmadık bir durum değildir. Aynı zamanda yumuşak geçiş kurallarına uyulur ve aynı zamanda düz kısım katmanlı bir şekli taklit eder. Bu tür piller, her iki ürün tipinin de özelliklerine sahiptir, kullanım ömürleri çok daha yüksektir.

Pilin kimyasal reaksiyonu ve çalışması sırasında kasanın içinde zararlı maddeler içeren gazlar oluşur. Bu buharların hızlı bir şekilde uzaklaştırılması için, lityum iyon pillerin durumunda, sıralarla bağlantısı olan ve biriken gazı pil boşluğundan zamanla uzaklaştıran bir çıkış vardır. Bazı yüksek güçlü piller, kritik buhar birikimi sırasında çalışan özel bir valf ile donatılmıştır.

Li-ion pil kontrolü

Pilin içindeki lityum şarjlarının periyodik olarak kontrol edilmesi gerekir, belirtilen pilin hizmet dışı olduğu kabul edilmesine rağmen, kasası mühürlü olduğu için pilin yine de özel bir cihaz kullanılarak kontrol edilmesi gerekir.

Muayene her zaman, parçanın gövdesinde çatlak ve deformasyon olup olmadığının kontrol edildiği harici bir muayene ile başlar. Akü terminalleri de kontrol edilir, oksitlenme ve diğer kirletici maddelerden arındırılır.

Önemli! Pili temiz tutmak, temas noktalarını kapatmaktan kaçınmak gerekir, çünkü bu tam deşarj pil, geri yüklemek çok sorunlu olacaktır.

Çekirdeğin iç durumunu kontrol etmek için terminallere bağlanan ve ağdaki anma gerilimini ölçen bir yük fişi kullanılır. Ardından aküye bir deşarj uygulanır ve cihaz, parçanın içindeki akımı tutmak için göstergeleri okur. Test sırasında pilin tam olarak şarj edilmesi gerektiğini dikkate almak önemlidir, aksi takdirde okumalar yanlış olacaktır.

Lityum iyon pillerin uygulamaları

Lityum-iyon piller, konfigürasyonlarına, şekillerine ve voltaj derecelerine bağlı olarak birçok uygulamada kullanılmaktadır. Pillerin en yaygın kullanımı otomotiv endüstrisindedir, her aracın, aracı çalıştırmaktan ve diğer işlevleri yerine getirmekten sorumlu olan kendi güç kaynağı vardır.

Bu piller aynı zamanda mobil cihazlar, dizüstü bilgisayarlar ve diğer araçlar. Bu tür pillerin cihazı otomobil pillerine benzer, tek fark ürünlerin kibrit kutusu boyutunda olabilen boyutlarıdır.

İÇİNDE Son zamanlarda pil kalıcı olarak merkezi ağa bağlıyken, lityum-iyon pillerin evlerdeki kesintisiz güç sistemlerine ve acil durum elektrik kaynakları olarak tanıtılması popüler hale geldi. Basit bir elektrik santralinden cihazların çalışması sırasında batarya şarj olur ve elektrik kesildiğinde otomatik olarak tüketiciye akım vermeye başlar. Bu durumda, şarj edilebilir pil uygun şekilde yerleştirilmeli ve aşırı ısınmaya karşı koruma sistemleri sağlanmalıdır.

Video

En modern piller arasında lityum özel bir yere sahiptir. Kimyada, lityum metallerin en aktifidir.

Büyük bir enerji depolama kaynağına sahiptir. 1 kg lityum 3860 amper-saat depolama kapasitesine sahiptir. Tanınmış çinko çok geride. Bu rakam 820 amper-saattir.

Lityum bazlı hücreler 3,7 V'a kadar voltaj üretebilir. Ancak laboratuvar numuneleri, yaklaşık 4,5 V'luk bir voltaj üretebilir.

Modern lityum pillerde saf lityum kullanılmaz.

Günümüzde kullanımda olan 3 tip lityum pil vardır:

Li iyon ( Li iyon). Nominal gerilim (U nom.) - 3,6V;

Lityum polimer ( LiPo, Li polimer veya "lipo"). U ad. - 3,7V;

Lityum demir fosfat ( Hayat veya LFP ). U ad. - 3.3V.

Tüm bu tip lityum piller, katot veya elektrolit malzemesi bakımından farklılık gösterir. Li-ion, lityum kobaltat katot kullanır LiCoO 2, Li-Po bir jel polimer elektrolit kullanır ve Li-Fe bir lityum ferrofosfat katot kullanır LiFePO 4.

Herhangi bir lityum pil (veya içinde çalıştığı cihaz), küçük bir elektronik devre - bir şarj / deşarj kontrolörü ile donatılmıştır. Lityum bazlı piller aşırı şarja ve derin deşarja karşı çok hassas olduğundan bu gereklidir. Bir cep telefonundan herhangi bir lityum pili "açarsanız", içinde küçük bir elektronik devre bulabilirsiniz - bu, koruyucu denetleyicidir ( Koruma IC'si ).

Yerleşik denetleyici (veya ücret denetçisi) lityum pil Hayır, o zaman böyle bir bataryaya korumasız denir. Bu durumda kontrolör, böyle bir pille çalışan cihaza yerleştirilmiştir ve şarj işlemi yalnızca cihazdan veya özel bir şarj cihazından mümkündür.

Fotoğrafta korumasız bir Li-Po pil gösterilmektedir Turnigy 2200mAh 3C 25C Lipo Paketi. Bu pil, 3,7V'luk seri (3C - 3 hücreli) bağlı 3 hücreden oluşur ve bu nedenle bir dengeleyici konektöre sahiptir. Sürekli deşarj akımı 25C'ye ulaşabilir, yani 25 * 2200mA = 55000mA = 55A! Ve kısa süreli deşarj akımı (10 saniye) - 35C!

Seri bağlı birkaç hücreden oluşan lityum piller, dengeleyici ile donatılmış karmaşık bir şarj cihazı gerektirir. Bu işlevsellik, örneğin Turnigy Accucell 6 ve IMAX B6 gibi evrensel şarj cihazlarında uygulanmaktadır.

Kompozit bir lityum pilin şarjı sırasında tek tek hücrelerdeki voltajı eşitlemek için dengeleyici gereklidir. Hücreler arasındaki farklılıklar nedeniyle, bazıları daha hızlı, bazıları daha yavaş şarj olabilir. Bu nedenle özel bir şarj akımı şönt devresi kullanılır.

Bu, 11.1V'de LiPo pilin dengeleme ve güç kablosunun kablolamasıdır.

Bildiğiniz gibi, bir lityum pil hücresini (özellikle Li-Polimer) 4,2V'un üzerinde aşırı şarj etmek patlamaya veya kendiliğinden yanmaya neden olabilir. Bu nedenle, şarj sırasında voltajı kontrol etmek gerekir. her hücrede kompozit pil pil!

Lityum pillerin uygun şekilde şarj edilmesi.

Lityum piller (Li-ion, Li-Po, Li-Fe) şarj edilir CC/CV yöntemiyle ("DC/ sabit basınç"). Yöntem, ilk başta, eleman üzerindeki voltaj düşük olduğunda, belirli bir değerde sabit bir akımla şarj edilmesi gerçeğinden oluşur. Eleman üzerindeki voltaja ulaşıldığında (örneğin, 4,2 V'a kadar - pil tipine bağlıdır), şarj kontrol cihazı üzerinde sabit bir voltaj sağlar.

İlk aşama lityum pil şarjı - CC- yoluyla uygulanır geri bildirim. Kontrolör, eleman üzerindeki voltajı, şarj akımı kesinlikle sabit olacak şekilde seçer.

Şarjın ilk aşamasında, lityum pil gücün çoğunu (%60 - 80) biriktirir.

İkinci sahneşarj - Özgeçmiş- eleman üzerindeki voltaj belirli bir eşik seviyesine (örneğin 4,2V) ulaştığında başlar. Bundan sonra, kontrolör eleman üzerinde sabit bir voltaj sağlar ve ona ihtiyaç duyduğu akımı verir. Şarjın sonunda akım 30 - 10 mA değerine düşer. Bu akımda eleman yüklü kabul edilir.

İkinci aşamada pil, gücün kalan %40 - 20'sini biriktirir.

Bir lityum pildeki eşik voltajı aşmanın, aşırı ısınması ve hatta patlamasıyla dolu olduğunu belirtmekte fayda var!

Lityum pilleri şarj ederken yanmaz bir çantaya koymanız önerilir. Bu, özellikle özel kutusu olmayan piller için geçerlidir. Örneğin, radyo kontrollü modellerde (otomatik, uçak modelleme) kullanılanlar.

Lityum iyon pillerin dezavantajları.

Lityum bazlı pillerin ana ve en korkutucu dezavantajı, çalışma voltajının aşılması, aşırı ısınma, yanlış şarj ve okuma yazma bilmeden çalıştırma durumlarında yangın tehlikesi diyeceğim. Özellikle lityum-polimer (Li-Polimer) piller hakkında çok fazla şikayet var. Ancak lityum-demir-fosfat (Li-Fe) pillerin böyle bir olumsuz özelliği yoktur - yanmazdırlar.

Ayrıca, lityum piller soğuktan çok korkarlar - hızla kapasitelerini kaybederler ve şarj etmeyi durdururlar. Bu, Li-ion ve Li-Po piller için geçerlidir. Lityum Demir Fosfat (Li-Fe) piller donmaya karşı daha dayanıklıdır. Aslında bu bir tanesi pozitif nitelikler LiFe piller.

Lityum pillerin dezavantajı, özel bir şarj regülatörü - bir elektronik devre gerektirmeleridir. Ve bir bileşik durumunda pil ve bir dengeleyici.

Lityum piller tamamen boşaldığında orijinal özelliklerini kaybeder. Li-ion ve Li-Po piller özellikle derin deşarjdan korkar. İyileşmeden sonra bile, böyle bir pilin kapasitesi daha düşük olacaktır.

Bir lityum pil uzun süre "çalışmazsa", o zaman ilk başta üzerindeki voltaj bir eşik seviyesine (genellikle 3,2-3,3V) düşecektir. Elektronik devre, pil hücresini tamamen kapatacak ve ardından derin bir deşarj başlayacaktır. Hücredeki voltaj 2,5V'a düşerse, bu onun arızalanmasına neden olabilir.

Bu nedenle, dizüstü bilgisayarların, cep telefonlarının, mp3 çalarların pillerini uzun bir kesinti sırasında zaman zaman şarj etmeye değer.

Tipik olarak, sıradan bir lityum pilin hizmet ömrü 3 ila 5 yıldır. 3 yıl sonra pil kapasitesi oldukça belirgin bir şekilde azalmaya başlar.