Lityum polimer pil: iyondan farkı, hizmet ömrü, cihaz. Li-pol veya Li-ion: hangisi daha iyi. Lityum İyon Pille Çalışma

Modern akıllı telefonların yeniden şarj edilmeden çalışma süresi, pillerine ve özelliklerine göre belirlenir.

Piller nedir?

Nikel-kadmiyum (Ni-Cd) ve nikel-metal hidrit (Ni-MH) piller artık geçerli değil - uzun süre düzgün çalıştılar, ancak bir takım dezavantajları vardı. Cihazlarımızda çoğu durumda lityum bazlı piller kullanılır - lityum iyon (Li-Ion) ve lityum polimer (Li-Pol).

Bir pilin ana özelliklerinden biri kapasitesidir. Bataryanın ne kadar elektrik depolayabileceğini ve cihazın otonom olarak ne kadar süre çalışabileceğini belirler. En sık kullanılan piller 2000 ila 3000 mAh'dir (miliamp/saat). Lityum iyon kaynaklarının boyutları, öncekilerden farklı olarak çok kompakt kalıyor.

Lityum-polimer piller, çeşitli geometrik şekillerde lityum-iyon pillerden farklıdır ve şu anda özellikle önemli olan 1 mm'den başlayan minimum kalınlıktır. Bu, çok ince akıllı telefonlarda kullanılmalarına olanak tanır.

Lityum piller, doğru kullanıldıklarında uzun bir hizmet ömrüne sahiptir. Pek çok tanınmış akıllı telefonun üreticisi, pilin yalnızca servis merkezinde değiştirilmesini sağladı, bu da cihazın gövdesini yekpare hale getirdi ve arka kapak ve pil çıkarılamaz. Özel ekipman ve bilgi olmadan kullanıcının kendisi bu işlemi gerçekleştiremeyecektir.

çalışma sırasında sıcaklık. Pil kapasitesi doğrudan etkilenir. Yüksek bir sıcaklık, daha hızlı bir enerji birikimine katkıda bulunur, düşük bir sıcaklıkta kapasite önemli ölçüde düşer. Yetersiz şarj edilmiş bir tane kullanırsanız, hızla boşalır. Ayrıca, şarjın sıfıra düşürülmesi riski vardır ki bu son derece istenmeyen bir durumdur - lityum piller tamamen boşalır.

Ve tam tersi durum. %100 şarjlı bir akıllı telefon doğrudan güneş ışığında kullanılır. Mecazi olarak konuşursak, bu durumda şarjın% 100'ü% 110'a dönüşür ve fazla birikmiş elektrik elde edilir, bu da kapasitenin düşmesine neden olabilir.

Buna dayanarak, cihazın çalışması için sıcaklık koşullarını gözlemlemeye değer. Ayrıca, aktif kullanım sırasında doğal ısınmadan bahsetmiyoruz - pil için sıcaklıktaki bu tür bir artış tehlikeli değildir.

Şarj süresi ve şarj cihazı. Her lityum kaynağı, onu aşırı akımdan koruması gereken özel bir kontrolör ile donatılmıştır. Tam şarja ulaşıldığında, gelen akım kapatılır.

Kontrolörün çalışmasında, aşırı şarja yol açan hatalar ve hatalar mümkündür. Bazen bu, orijinal olmayan akıllı telefon şarj cihazlarının kullanılmasından kaynaklanır. Şarj olan bir akıllı telefonun tam şarj olduktan sonra uzun süre prizde bırakılması önerilmez. Ayrıca orijinal şarj cihazlarını veya parametreleri .

Lityum pillerin, cihazın tamamen kapanması beklenmeden, örneğin kalan şarjın %10-15'i oranında şarj edilmesi gerekir. Gün içinde mümkün olduğunda, örneğin bir iş bilgisayarının USB bağlantı noktasından veya bir arabadan güç alabilirler. Tam şarj elde etmek gerekli değildir.

Depolamak. Akıllı telefon sahibi, cihazı uzun süre kullanmamayı planlıyorsa bu durumda önerilen pil şarj seviyesi %50 civarında olmalıdır.

Lityum piller için şarj döngüsü sayısı yaklaşık 1200 kattır. Basit aritmetik, pil ömrünün en az 3 yıl süreceğini gösteriyor. Yukarıdaki tavsiyelere uyarsanız, pil ömrünü artırabilirsiniz.

Modern cep telefonları, kameralar ve diğer cihazlar çoğunlukla, birçok yönden üstün oldukları alkalin ve nikel-kadmiyum pillerin yerini alan lityum iyon pilleri kullanır. İlk kez, lityum anotlu piller geçen yüzyılın 70'lerinde ortaya çıktı ve yüksek voltajları ve enerji yoğunlukları nedeniyle hemen çok popüler oldu.

görünüm tarihi

Gelişmeler kısa sürdü, ancak pratik düzeyde, yalnızca geçen yüzyılın 90'larında çözülen zorluklar ortaya çıktı. Lityumun yüksek aktivitesi nedeniyle, hücre içinde tutuşmaya neden olan kimyasal işlemler gerçekleşti.

90'ların başında, bir dizi kaza meydana geldi - telefon kullanıcıları konuşurken, elemanların ve ardından iletişim cihazlarının kendiliğinden tutuşmasının bir sonucu olarak ciddi yanıklar aldı. Bu bağlamda piller tamamen durduruldu ve daha önce çıkan piller satıştan iade edildi.

Modern lityum-iyon piller, daha kararlı oldukları için saf metal kullanmazlar, yalnızca iyonize bileşiklerini kullanırlar. Ne yazık ki, bilim adamları pil kapasitesinde önemli bir azalmaya gitmek zorunda kaldılar, ancak asıl şeyi başarmayı başardılar - insanlar artık yanıklardan muzdarip değildi.

Çeşitli karbon bileşiklerinin kristal kafesinin, negatif elektrotta lityum iyonlarının interkalasyonu için uygun olduğu kanıtlanmıştır. Şarj olurken, anottan katota doğru hareket ederler ve deşarj olurken tersi de geçerlidir.

Çalışma prensibi ve çeşitleri

Her bir lityum-iyon pilde, negatif elektrot, yapısı sipariş edilebilen veya kısmen sipariş edilebilen karbon içeren maddelere dayanır. Malzemeye bağlı olarak, Li'nin C'ye interkalasyon işlemi değişir.Pozitif elektrot esas olarak kaplanmış nikel veya kobalt oksitten yapılır.

Tüm reaksiyonları özetleyerek, aşağıdaki denklemlerde temsil edilebilirler:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe - katot için.
2. Anot için C + xLi+ + xe → CLix -.

Denklemler bir deşarj durumu için sunulmuştur; şarj olurken ters yönde akarlar. Bilim adamları, karışık fosfat ve oksitlerden oluşan yeni materyaller üzerinde çalışıyorlar. Bu malzemelerin katot için kullanılması planlanmaktadır.

İki tür Li-Ion pil vardır:

1. silindirik;
2. prizmatik.

Ana fark, plakaların düzenlenmesidir (prizmatik olarak - üst üste). Lityum pilin boyutu buna bağlıdır. Kural olarak, prizmatik olanlar daha yoğun ve daha kompakttır.

Ayrıca içeride bir güvenlik sistemi var - sıcaklık yükseldikçe direnci artıran ve yüksek basınçta anot-katot devresini kıran bir mekanizma. Elektronik kart sayesinde devre, pil içindeki işlemleri kontrol ettiği için imkansız hale gelir.

Zıt kutuplu elektrotlar bir ayırıcı ile ayrılır. Muhafaza hava geçirmez olmalıdır, elektrolit sızıntısı veya su ve oksijen girişi hem pili hem de elektronik taşıyıcı cihazın kendisini tahrip edecektir.

Farklı lityum pil üreticileri tamamen farklı görünebilir, ürünün tek bir şekli yoktur. Anodun aktif kütlelerinin katoda oranı yaklaşık 1:1 olmalıdır, aksi takdirde tutuşmaya yol açacak lityum metal oluşumu mümkündür.

Avantajlar ve dezavantajlar

Piller, üreticiden üreticiye farklılık gösteren mükemmel parametrelere sahiptir. Nominal voltaj 3,7-3,8 V, maksimum 4,4 V'dir. Enerji yoğunluğu (ana göstergelerden biri) 110-230 W * h / kg'dır.

Dahili direnç 5 ila 15 mOhm/1Ah aralığındadır. Döngü sayısı (deşarj / şarj) açısından hizmet ömrü 1000-5000 adettir. Hızlı şarj süresi 15-60 dakikadır. En önemli avantajlardan biri, yavaş kendi kendine boşalma sürecidir (yılda sadece %10-20, bunun %3-6'sı ilk ay için). Çalışma sıcaklığı aralığı 0 C - +65 C dir, sıfırın altındaki sıcaklıklarda şarj mümkün değildir.

Şarj birkaç aşamada gerçekleşir:

1. belli bir noktaya kadar maksimum şarj akımı akar;
2. çalışma parametrelerine ulaşıldığında, akım kademeli olarak maksimum değerin %3'üne düşer.

Yaklaşık olarak her 500 saatte bir saklandığında, kendiliğinden boşalmayı telafi etmek için periyodik olarak yeniden şarj edilmesi gerekir. Aşırı şarj edildiğinde, elektrolit ile etkileşime girerek oksijen oluşturan metalik lityum birikebilir. Bu, artan iç basınç nedeniyle basınçsızlaşma riskini artırır.

Sık şarj etme, pil ömrünü büyük ölçüde azaltır. Ayrıca çevre, sıcaklık, akım vb. etkilenir.

Elemanın dezavantajları vardır, bunların arasında şunlar vardır:

kullanım Şartları

Pili aşağıdaki koşullarda saklamak en iyisidir A: Şarj en az %40 olmalı ve sıcaklık çok düşük veya yüksek olmamalıdır. En iyi seçenek 0C ila +10C aralığıdır. Tipik olarak, kapasitenin yaklaşık %4'ü 2 yıl içinde kaybedilir, bu nedenle daha erken üretim tarihli pillerin satın alınması önerilmez.

Bilim adamları raf ömrünü uzatmanın bir yolunu buldular. Elektrolite uygun bir koruyucu eklenir. Bununla birlikte, bu tür piller, daha sonra normal modda çalışabilmeleri için 2-3 tam deşarj / şarj döngüsü şeklinde “eğitilmelidir”. Aksi takdirde, bir "hafıza etkisi" ve ardından tüm yapının şişmesi olabilir. Doğru kullanım ve tüm depolama standartlarına uygunluk ile batarya uzun süre dayanabilirken, kapasitesi de yüksek seviyede kalacaktır.

Forumlarda pillerin "çalıştırılmasıyla ilgili ipuçlarını" okurken, istemeden insanların okulda fizik ve kimyayı atlayıp atlamadıklarını veya kurşun ve iyon pilleri çalıştırma kurallarının aynı olduğunu düşündüklerini merak ediyorsunuz.
Li-Ion pilin ilkeleriyle başlayalım. Parmaklarda her şey son derece basit - negatif bir elektrot var (genellikle bakırdan yapılmış), pozitif bir elektrot var (alüminyumdan yapılmış), aralarında elektrolitle doyurulmuş gözenekli bir madde (ayırıcı) var ("yetkisiz" " elektrotlar arasında lityum iyonlarının geçişi):

Çalışma prensibi, lityum iyonlarının kimyasal bağların oluşumu ile çeşitli malzemelerin (genellikle grafit veya silikon oksit) kristal kafesine gömülme kabiliyetine dayanır: buna göre, şarj olurken iyonlar kristal kafes içine gömülür, böylece bir elektrotta bir yük biriktirirken, sırasıyla boşalırken, başka bir elektrota geri dönerler ve ihtiyacımız olan elektronu verirler (devam eden süreçlerin daha doğru bir açıklamasıyla ilgilenenler için - google interkalasyonu). Elektrolit olarak, serbest proton içermeyen ve geniş bir voltaj aralığında kararlı olan su içeren çözeltiler kullanılır. Gördüğünüz gibi, modern pillerde her şey oldukça güvenli bir şekilde yapılır - metal lityum yoktur, patlayacak hiçbir şey yoktur, ayırıcıdan yalnızca iyonlar geçer.
Artık çalışma prensibi ile ilgili her şey az çok netleştiğine göre, Li-Ion pillerle ilgili en yaygın mitlere geçelim:

1. Efsane bir. Cihazdaki Li-Ion pil yüzde sıfıra kadar deşarj edilemez.
   Aslında, kulağa her şey doğru geliyor ve fizikle tutarlı - ~2,5 V Li-Ion'a deşarj olduğunda, pil çok hızlı bir şekilde bozulmaya başlar ve böyle bir deşarj bile kapasitesini önemli ölçüde (% 10'a kadar!) azaltabilir. Ek olarak, böyle bir voltaja deşarj edildiğinde, standart bir şarj cihazıyla şarj etmek artık mümkün olmayacaktır - pil hücresi voltajı ~ 3 V'un altına düşerse, "akıllı" kontrolör onu hasarlı olarak kapatır ve varsa tüm bu hücreler, pil çöpe atılabilir.
   Ancak çok önemli ama herkesin unuttuğu bir şey var: Telefonlarda, tabletlerde ve diğer mobil cihazlarda pilin çalışma voltaj aralığı 3,5-4,2 V'tur. Voltaj 3,5 V'un altına düştüğünde gösterge yüzde sıfır şarj gösterir ve cihaz kapanıyor, ancak " kritik "2,5 V'a kadar hala çok uzakta. Bu, böyle bir "boşalmış" pile bir LED bağlarsanız, uzun süre yanabileceği gerçeğiyle doğrulanır (belki birisi, ne olursa olsun bir düğmeyle açılan el feneri olan telefonların satıldığını hatırlar. sistem.Böylece deşarj olduktan sonra ışık yanmaya devam etti ve telefonu kapattı). Yani gördüğünüz gibi normal kullanım sırasında 2,5 V'a kadar deşarj oluşmuyor, bu da Akum'u yüzde sıfıra kadar deşarj etmenin oldukça mümkün olduğu anlamına geliyor.
2. Efsane iki. Li-Ion piller hasar görürse patlar.
   Hepimiz "patlayıcı" Samsung Galaxy Note 7'yi hatırlıyoruz. Ancak, bu daha çok kuralın bir istisnasıdır - evet, lityum çok aktif bir metaldir ve onu havada üflemek zor değildir (ve çok parlak yanar Suda). Bununla birlikte, modern piller lityum değil, çok daha az aktif olan iyonlarını kullanır. Bu nedenle, bir patlamanın meydana gelmesi için, çok denemeniz gerekir - ya şarj olan bataryaya fiziksel olarak zarar verin (kısa devre düzenleyin) ya da çok yüksek bir voltajla şarj edin (o zaman hasar görür, ancak büyük olasılıkla kontrolör basitçe kendi kendine yanar ve pilin şarj edilmesine izin vermez). Bu nedenle, aniden elinizde hasarlı veya tüten bir pil varsa - onu masanın üzerine atmayın ve "hepimiz öleceğiz" diye bağırarak odadan koşmayın - sadece metal bir kaba koyun ve balkona çıkarın (kimyayı solumamak için) - pil bir süre yanar ve sonra söner. Önemli olan onu suyla doldurmamaktır, iyonlar elbette lityumdan daha az aktiftir, ancak yine de suyla reaksiyona girdiğinde bir miktar hidrojen de açığa çıkacaktır (ve patlamayı sever).
3. Efsane üç. Bir Li-Ion pil 300 (500/700/1000/100500) döngüye ulaştığında güvensiz hale gelir ve acilen değiştirilmesi gerekir.
   Neyse ki forumlarda giderek daha az dolaşan ve hiçbir fiziksel veya kimyasal açıklaması olmayan bir efsane. Evet, çalışma sırasında elektrotlar oksitlenir ve aşınır, bu da pil kapasitesini azaltır, ancak bu sizi daha kısa pil ömrü ve şarjın% 10-20'sinde dengesiz davranış dışında hiçbir şeyle tehdit etmez.
4. Efsane dört. Li-Ion piller ile soğukta çalışamazsınız.
   Bu bir yasaktan çok bir tavsiye niteliğindedir. Birçok üretici, telefonların negatif sıcaklıklarda kullanılmasını yasaklar ve çoğu, hızlı deşarj ve genellikle soğukta telefonların kapanmasıyla karşı karşıya kalmıştır. Bunun açıklaması çok basit: elektrolit, su içeren bir jeldir ve düşük sıcaklıklarda suya ne olduğunu herkes bilir (evet, varsa donar), böylece pilin bir kısmını çalışmaz hale getirir. Bu bir voltaj düşüşüne yol açar ve kontrolör bunu bir deşarj olarak kabul etmeye başlar. Bu pil için yararlı değildir, ancak ölümcül de değildir (ısıttıktan sonra kapasite geri gelir), bu nedenle telefonunuzu soğukta umutsuzca kullanmanız gerekirse (sadece kullanmak için - sıcak bir cepten çıkarın, saate bakın ve geri saklayın), o zaman %100 şarj etmek ve işlemciyi yükleyen herhangi bir işlemi açmak daha iyidir - böylece soğutma daha yavaş olacaktır.
5. Efsane beş. Şişmiş bir Li-Ion pil tehlikelidir ve hemen atılmalıdır.
   Bu tam olarak bir efsane değil, daha çok bir önlem - şişmiş bir pil patlayabilir. Kimyasal bir bakış açısıyla, her şey basit: interkalasyon işlemi sırasında, elektrotlar ve elektrolit ayrışır ve bunun sonucunda gaz açığa çıkar (şarj sırasında da salınabilir, ancak daha fazlası aşağıdadır). Ancak çok az göze çarpıyor ve pilin şişmiş gibi görünmesi için birkaç yüz (binlerce değilse de) yeniden şarj döngüsünden geçmesi gerekiyor (elbette arızalı olmadığı sürece). Gazdan kurtulmakta sorun yok - sadece valfi delin (bazı pillerde aşırı basınç altında kendi kendine açılır) ve havasını alın (solunmasını önermiyorum), ardından deliği epoksi ile kapatabilirsiniz. Elbette bu, pili eski kapasitesine geri getirmeyecek ama en azından şimdi kesinlikle patlamayacak.
6. Efsane altı. Li-Ion pillerin aşırı şarj edilmesi zararlıdır.
   Ancak bu artık bir efsane değil, acı bir gerçek - yeniden şarj ederken pilin şişmesi, patlaması ve alev alması büyük bir ihtimal var - inanın bana, kaynayan elektrolitin sıçramasından çok az zevk var. Bu nedenle, tüm pillerde, pilin belirli bir voltajın üzerinde şarj edilmesine izin vermeyen kontrolörler vardır. Ancak burada bir pil seçerken son derece dikkatli olmalısınız - Çin el sanatlarının denetleyicileri genellikle başarısız olabilir ve bence saat 3'te telefondan havai fişekler sizi memnun etmeyecek. Elbette aynı sorun markalı pillerde de var ama birincisi, bu orada çok daha az oluyor ve ikincisi, telefonun tamamı garanti kapsamında değiştirilecek. Genellikle bu efsane aşağıdakilere yol açar:
7. Efsane yedi. %100'e ulaştığınızda, telefonu şarjdan çıkarmanız gerekir.
   Altıncı efsaneye göre, bu makul görünüyor, ancak gerçekte gecenin bir yarısı kalkıp cihazı şarjdan çıkarmanın bir anlamı yok: birincisi, denetleyici arızaları son derece nadirdir ve ikincisi, gösterge% 100 açıkken bile ulaşıldığında, pil bir süre düşük akımlarla çok, çok maksimuma şarj olur ve bu da %1-3 kapasite daha ekler. Yani aslında bu kadar uzatmamak gerekiyor.
8. Efsane sekiz. Cihaz sadece orijinal şarj cihazı ile şarj edilebilir.
   Efsane, Çin şarj cihazlarının kalitesizliğinden kaynaklanıyor - normal bir voltajda 5 + -% 5 volt, hem 6 hem de 7 verebilirler - kontrolör, elbette, bu voltajı bir süreliğine düzeltir, ancak gelecekte en iyi ihtimalle denetleyicinin yanmasına, en kötü ihtimalle anakartın patlamasına ve (veya) arızalanmasına yol açacaktır. Bunun tersi olur - yük altında Çinli şarj cihazı 3-4 volt üretir: bu, akünün tam olarak şarj edilememesine yol açacaktır.

Herhangi bir pili şarj etme ve boşaltma işlemleri kimyasal bir reaksiyon olarak ilerler. Ancak, lityum iyon pillerin şarj edilmesi kuralın bir istisnasıdır. Bilimsel çalışmalar, bu tür pillerin enerjisini iyonların kaotik hareketi olarak göstermektedir. Uzmanların iddiaları dikkati hak ediyor. Lityum-iyon pilleri şarj etmek bilimsel olarak doğruysa, bu cihazlar sonsuza kadar dayanmalıdır.

Bilim adamları, pilin yararlı kapasitesinin kaybının pratikte doğrulanan gerçeklerini, sözde tuzaklar tarafından engellenen iyonlarda görüyorlar.

Bu nedenle, diğer benzer sistemlerde olduğu gibi, lityum-iyon cihazlar da pratikte uygulanma sürecindeki kusurlardan muaf değildir.

Li-ion tasarımları için şarj cihazlarının, kurşun-asit sistemleri için tasarlanmış cihazlarla bazı benzerlikleri vardır.

Ancak bu tür şarj cihazları arasındaki temel fark, hücrelere yüksek voltaj sağlanmasında görülür. Buna ek olarak, daha sıkı akım toleransları ve pil tamamen şarj olduğunda kesintili veya dalgalı şarjın ortadan kaldırılması not edilir.

Voltajın bağlanması / bağlantısının kesilmesi açısından bazı esnekliklerde farklılık gösteriyorlarsa, lityum iyon sistem üreticileri bu yaklaşımı kategorik olarak reddederler.

Li-ion piller ve bu cihazların çalışma kuralları, sınırsız bir aşırı şarj olasılığına izin vermemektedir.

Bu nedenle, lityum iyon piller için hizmet ömrünü uzun süre uzatabilen sözde "mucizevi" bir şarj cihazı yoktur.

Darbe yükü veya diğer bilinen hileler nedeniyle Li-ion'dan ek kapasite elde etmek imkansızdır. Lityum-iyon enerjisi, kesinlikle sınırlı miktarda enerjiyi kabul eden bir tür “temiz” sistemdir.

Kobalt karışımlı pilleri şarj etme

Lityum-iyon pillerin klasik tasarımları, yapısı şu malzemelerden oluşan katotlarla donatılmıştır:

• kobalt,
• nikel,
• manganez,
• alüminyum.

Hepsi genellikle 4.20V / I'e kadar voltajla şarj edilir. İzin verilen sapma +/- 50 mV/I'den fazla değildir. Ancak, 4,10 V/m'ye kadar şarj voltajına izin veren belirli türde nikel bazlı lityum iyon piller de vardır.

Lityum yüzdesinin artırıldığı lityum iyon pillerde de gelişmeler var. Onlar için şarj voltajı 4.30V/I ve üzeri bir değere ulaşabilir.

Voltajı arttırmak kapasitansı arttırır, ancak voltaj spesifikasyonun ötesine geçerse, pil yapısının tahrip olmasıyla doludur.

Bu nedenle, çoğunlukla lityum iyon piller, amacı yerleşik normu korumak olan koruyucu devrelerle donatılmıştır.

Tam veya kısmi ücret

Bununla birlikte, uygulama, en güçlü lityum-iyon pillerin, kısa bir süre için uygulanması koşuluyla daha yüksek bir voltaj seviyesini kabul edebileceğini göstermektedir.

Bu seçenekle, şarj verimliliği yaklaşık %99'dur ve hücre tüm şarj süresi boyunca soğuk kalır. Doğru, bazı lityum-iyon piller tam doluluğa ulaştıklarında hâlâ 4-5C kadar ısınıyor.

Belki de bu, korumadan veya yüksek iç dirençten kaynaklanmaktadır. Bu tür piller için, sıcaklık makul bir şarj hızında 10ºC'nin üzerine çıktığında şarj işlemi durdurulmalıdır.

Kobalt karışımlı sistemlerin tam şarjı, bir eşik voltaj değeri ile gerçekleşir. Bu durumda akım, nominal değerin %3-5'ine kadar düşer.

Batarya, uzun süre değişmeden kalan belirli bir kapasite seviyesine ulaşıldığında bile tam şarj gösterecektir. Bunun nedeni, pilin kendi kendine boşalmasının artması olabilir.

Artan şarj akımı ve doygunluk şarjı

Şarj akımının arttırılmasının, tam şarj durumuna ulaşılmasını hızlandırmadığına dikkat edilmelidir. Lityum - tepe voltajına daha hızlı ulaşacaktır, ancak şarjın kapasitenin tam doygunluğuna ulaşması daha fazla zaman alır. Ancak, pili yüksek akımla şarj etmek, pil kapasitesini hızla yaklaşık %70'e çıkarır.

Lityum-iyon piller, kurşun asitli cihazlarda olduğu gibi tam şarj gerektirmez. Üstelik Li-ion için istenmeyen bu şarj seçeneğidir. Aslında, yüksek voltaj pili zorladığından pili tam olarak şarj etmemek en iyisidir.

Daha düşük bir voltaj eşiğinin seçilmesi veya şarjın tamamen doygunluğunun kaldırılması, Li-Ion pilin ömrünü uzatacaktır. Doğru, bu yaklaşıma pil enerjisi geri dönüş süresinde bir azalma eşlik ediyor.

Burada not edilmelidir: ev tipi şarj cihazları, kural olarak, maksimum güçte çalışır ve şarj akımı (voltaj) düzenlemesini desteklemez.

Lityum-iyon pil şarj cihazlarının üreticileri, uzun ömrü, devre karmaşıklığı masrafından daha az sorun olarak görüyor.

Li-ion pil şarj cihazları

Bazı ucuz ev tipi şarj cihazları genellikle basitleştirilmiş bir yöntem kullanır. Lityum iyon pili doygunluğa girmeden bir saat veya daha az şarj edin.

Bu tür cihazlarda hazır göstergesi, pil ilk aşamada voltaj eşiğine ulaştığında yanar. Bu durumda şarj durumu, çoğu kullanıcıyı genellikle tatmin eden yaklaşık %85'tir.

Profesyonel şarj cihazları (pahalı), şarj voltajı eşiğini daha düşük ayarlamaları ve böylece lityum iyon pilin ömrünü uzatmaları bakımından farklıdır.

Tablo, bu tür cihazlar tarafından doygunluk şarjlı ve doyumsuz farklı voltaj eşiklerinde şarj edildiğinde hesaplanan güçleri gösterir:

Lityum-iyon pil şarj olmaya başlar başlamaz voltajda hızlı bir artış olur. Bu davranış, bir gecikme etkisi olduğunda bir yükü lastik bantla kaldırmaya benzer.

Pil tamamen şarj olduğunda kapasite sonunda dolacaktır. Bu şarj özelliği, tüm piller için tipiktir.

Şarj akımı ne kadar yüksek olursa, lastik bant etkisi o kadar parlak olur. Düşük sıcaklık veya yüksek iç dirence sahip bir hücrenin varlığı yalnızca etkiyi artırır.

Şarjlı bir pilin voltajını okuyarak şarj durumunu değerlendirmek pratik değildir. Akü birkaç saat oturduktan sonra açık devre voltajının (boşta) ölçülmesi en iyi değerlendirme göstergesidir.

Diğer pillerde olduğu gibi sıcaklık, bir lityum iyon pilin aktif maddesini etkilediği gibi rölantiyi de etkiler. , dizüstü bilgisayarlar ve diğer cihazlar coulomb sayılarak tahmin edilmektedir.

Lityum-iyon pil: doyum eşiği

Bir lityum-iyon pil fazla şarjı ememez. Bu nedenle, pil tamamen dolduğunda, şarj akımı hemen kaldırılmalıdır.

Sabit bir akım şarjı, bu tür pillerin çalışma güvenliğini sağlama ilkesini ihlal eden lityum hücrelerin metalleşmesine yol açabilir.

Arıza oluşumunu en aza indirmek için, şarj doruğa ulaştığında lityum iyon pili mümkün olan en kısa sürede çıkarmanız gerekir.

Şarj durur durmaz, lityum iyon pilin voltajı düşmeye başlar. Fiziksel stresi azaltmanın etkisi kendini gösterir.

Bir süre için, açık devre voltajı, 3,70 V ve 3,90 V voltaj ile eşit olmayan şekilde şarj edilmiş hücreler arasında dağıtılacaktır.

Burada, tam doymuş şarj almış bir lityum-iyon pil, doygunluk şarjı almamış komşu pili (devrede varsa) şarj etmeye başladığında da süreç dikkat çekiyor.

Lityum İyon pillerin hazır olmalarını sağlamak için her zaman şarj cihazında tutulmaları gerektiğinde, kısa süreli yavaş şarj işlevine sahip şarj cihazlarına güvenmelisiniz.

Kısa süreli yavaş şarj işlevine sahip bir şarj cihazı, açık devre voltajı 4,05 V/ch'ye düştüğünde açılır ve voltaj 4,20 V/ch'ye ulaştığında kapanır.

Bekleme veya bekleme modu için tasarlanmış şarj cihazları genellikle pil voltajının 4,00 V/m'ye düşmesine izin verir ve tam 4,20 V/m'ye ulaşmadan yalnızca Lityum İyon pilleri 4,05 V/m'ye şarj eder.

Bu teknik, teknik voltajın doğasında bulunan fiziksel voltajı azaltır ve pilin ömrünün uzamasına yardımcı olur.

Kobaltsız pilleri şarj etme

Geleneksel pillerin nominal hücre voltajı 3,60 volttur. Ancak kobalt içermeyen cihazlarda bu değer farklıdır.

Bu nedenle, lityum fosfat pillerin değeri 3,20 volttur (şarj voltajı 3,65 V). Ve yeni lityum-titanat piller (Rusya'da üretilmiştir) 2,40 V (şarj cihazı 2,85) nominal hücre voltajına sahiptir.

Bu tür piller için, pili patlama tehdidiyle aşırı yükledikleri için geleneksel şarj cihazları uygun değildir. Tersine, kobaltsız piller için bir şarj sistemi, 3,60V geleneksel Li-Ion pil için yeterli şarj sağlamayacaktır.

Lityum iyon pilin aşırı şarjı

Lityum-iyon pil, belirtilen çalışma voltajlarında güvenli bir şekilde çalışır. Ancak, çalışma limitlerinin üzerinde şarj edilirse pilin performansı kararsız hale gelir.

4.20V çalışma değeri için tasarlanmış, 4.30V'un üzerinde bir voltaja sahip bir lityum-iyon pilin uzun süreli şarjı, anotun lityum kaplamasıyla doludur.

Katot malzemesi ise oksitleyici bir maddenin özelliklerini kazanır, durum kararlılığını kaybeder ve karbondioksit salar.

Akü hücresi basıncı oluşur ve şarj devam ederse dahili koruma cihazı 1000 kPa ile 3180 kPa arasındaki bir basınçta devreye girer.

Bundan sonra basınç artışı devam ederse koruyucu membran 3.450 kPa basınç seviyesinde açılır. Bu durumda, lityum-iyon pil hücresi patlamanın eşiğindedir ve sonunda olan tam olarak budur.

Lityum-iyon pil içindeki korumanın etkinleştirilmesi, dahili içeriğin sıcaklığındaki artıştan kaynaklanır. Tam olarak şarj edilmiş bir pil, kısmen şarj edilmiş bir pilden daha yüksek bir iç sıcaklığa sahiptir.

Bu nedenle, lityum-iyon piller, düşük seviyeli şarj koşullarında daha güvenli olarak görülüyor. Bu nedenle bazı ülkelerin yetkilileri, uçaklarda tam kapasitelerinin %30'undan fazla olmayan enerji ile doymuş Li-ion pillerin kullanılmasını şart koşuyor.

Tam yükte dahili pil sıcaklık eşiği:

• 130-150°C (lityum-kobalt için);
• 170-180°C (nikel-mangan-kobalt için);
• 230-250°C (lityum-mangan için).

Lityum fosfat pillerin, lityum manganez pillerden daha iyi sıcaklık stabilitesine sahip olduğuna dikkat edilmelidir. Lityum-iyon piller, aşırı enerji yüklemesi koşullarında tehlike oluşturan tek piller değildir.

Örneğin, kurşun-nikel piller, pasaport rejimine aykırı olarak enerji doygunluğu gerçekleştirilirse, erimeye ve ardından yangına eğilimlidir.

Bu nedenle, aküye en uygun şarj cihazlarının kullanılması tüm lityum-iyon aküler için büyük önem taşımaktadır.

Analizden bazı sonuçlar

Lityum iyon pillerin şarj edilmesi, nikel sistemlere kıyasla basitleştirilmiş bir yöntemle karakterize edilir. Şarj devresi, voltaj ve akım limitleri ile basittir.

Böyle bir devre, pil kullanıldıkça değişen karmaşık voltaj imzalarını analiz eden bir devreden çok daha basittir.

Lityum-iyon pillerin doyma süreci kesintiye uğrayabilir, bu pillerin kurşun-asit pillerde olduğu gibi tamamen doymasına gerek yoktur.

Lityum-iyon pillerin özellikleri, yenilenebilir enerji kaynaklarının (güneş panelleri ve rüzgar türbinleri) işletilmesinde avantajlar vaat ediyor. Kural olarak, bir rüzgar jeneratörü nadiren pilin tam şarjını sağlar.

Lityum-iyon için kararlı şarj gereksinimlerinin olmaması, şarj kontrol devresini basitleştirir. Bir lityum-iyon pil, kurşun-asit pillerin gerektirdiği gibi voltaj ve akımı eşitleyen bir kontrolör gerektirmez.

Tüm ev tipi ve endüstriyel lityum iyon şarj cihazlarının çoğu pili tam olarak şarj eder. Bununla birlikte, mevcut lityum-iyon pil şarj cihazları genellikle döngü sonunda voltaj regülasyonu sağlamaz.

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
• Hızlı şarj süresi: 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. Lityum-iyon pildeki akım taşıyıcı, pozitif yüklü bir lityum iyondur ve diğer malzemelerin (örneğin grafit, metal oksitler ve tuzlar) kristal örgüsüne bir kimyasal oluşumu ile araya girme (birleştirme) yeteneğine sahiptir. bağ, örneğin: metallerin LiC6, oksitler (LiMO 2) ve 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, üzerinde çoklu şarj/deşarj döngüleri sırasında uzaysal oluşumların (dendritlerin) ortaya çıktığı, elektrotların kısa devresine ve sonuç olarak yangına veya yangına neden olan metalik lityumdan yapılmış bir anot kullanmalarıyla açıklandı. patlama. 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. Aynı zamanda, düşük sıcaklık, uzun süreli depolama sırasında küçük kapasite kayıpları 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