Vrijeme rada modernih pametnih telefona bez punjenja je određeno njihovom baterijom i njenim karakteristikama.
Koje vrste baterija postoje?
Nikl-kadmijum (Ni-Cd) i nikl-metal hidrid (Ni-MH) baterije više nisu relevantne - dugo su radile ispravno, ali su imale niz nedostataka. Naši uređaji u većini slučajeva koriste litijumske baterije - litijum-jonske (Li-Ion) i litijum-polimerske (Li-Pol).
Jedna od glavnih karakteristika baterije je kapacitet. Određuje koliko električne energije baterija može pohraniti i koliko dugo uređaj može raditi autonomno. Najčešće baterije su one kapaciteta od 2000 do 3000 mAh (miliampera/sat). Dimenzije litijum-jonskih izvora ostaju veoma kompaktne, za razliku od svojih prethodnika.
Litijum-polimerske baterije razlikuju se od litijum-jonskih baterija po raznim geometrijskim oblicima i, što je sada posebno važno, po minimalnoj debljini, koja počinje od 1 mm. To im omogućava da se koriste u veoma tankim pametnim telefonima.
Litijumske baterije imaju dug radni vek ako se pravilno koriste. Proizvođači mnogih poznatih pametnih telefona omogućili su zamjenu baterije samo u servisnom centru, čineći tijelo uređaja monolitnim, a stražnji poklopac i bateriju se ne mogu ukloniti. Bez posebne opreme i znanja, korisnik neće moći samostalno izvršiti ovu operaciju.
Temperatura tokom rada. Kapacitet baterije je direktno pogođen. Visoke temperature potiču brže skladištenje energije; na niskim temperaturama kapacitet značajno opada. Ako koristite nedovoljno napunjenu, brzo će se istrošiti. Štoviše, postoji opasnost od pada punjenja na nulu, što je krajnje nepoželjno - litijumske baterije pate od potpunog pražnjenja.
I suprotna situacija. 100% napunjen pametni telefon koristi se na direktnoj sunčevoj svjetlosti. Slikovito rečeno, u ovom slučaju 100% punjenja se pretvara u 110%, a postoji višak akumulirane električne energije, što može dovesti do smanjenja kapaciteta.
Na osnovu toga, vrijedi promatrati temperaturne uvjete rada uređaja. Štoviše, ne govorimo o prirodnom grijanju tijekom aktivne upotrebe - takvo povećanje temperature ne predstavlja opasnost za bateriju
Vrijeme punjenja i punjač. Svaki izvor litija opremljen je posebnim kontrolerom, koji bi ga trebao zaštititi od viška struje. Kada se dostigne potpuno punjenje, ulazna struja se isključuje.
Moguće su greške i greške u radu kontrolera, koje dovode do prekomjernog punjenja. Ponekad je to zbog upotrebe neoriginalnih punjača za pametne telefone. Nije preporučljivo ostaviti pametni telefon koji se puni u utičnici dugo vremena nakon što je potpuno napunjen. Također morate koristiti originalne punjače ili one čiji su parametri .
Litijumske baterije treba puniti bez čekanja da se uređaj potpuno isključi, na primjer, do 10-15% preostalog punjenja. Mogu se puniti kad god je to moguće tokom dana, na primjer, preko USB porta radnog računara ili u automobilu. Nije potrebno postići potpuno punjenje.
Skladištenje. Ako vlasnik pametnog telefona planira da ne koristi uređaj duže vrijeme, preporučeni nivo napunjenosti baterije u ovom slučaju trebao bi biti oko 50%.
Broj ciklusa punjenja za litijumske baterije je približno 1200 puta. Jednostavna aritmetika sugerira da će baterija trajati najmanje 3 godine. Slijedeći gore navedene preporuke, možete produžiti vijek trajanja baterije.
Koji se široko koristi u modernoj potrošačkoj elektronici i nalazi svoju primenu kao izvor energije u električnim vozilima i uređajima za skladištenje energije u energetskim sistemima. Ovo je najpopularniji tip baterija u uređajima kao što su mobilni telefoni, laptopi, električna vozila, digitalni fotoaparati i kamkorderi. Prvu litijum-jonsku bateriju objavio je Sony 1991. godine.
Karakteristike
U zavisnosti od elektrohemijskog kola, litijum-jonske baterije pokazuju sledeće karakteristike:
- Napon jednog elementa je 3,6 V.
- Maksimalni napon 4,2 V, minimalni 2,5–3,0 V. Uređaji za punjenje podržavaju napon u opsegu 4,05–4,2 V
- Gustina energije: 110 … 230 W*h/kg
- Unutrašnji otpor: 5 ... 15 mOhm/1Ah
- Broj ciklusa punjenja/pražnjenja dok se ne izgubi 20% kapaciteta: 1000-5000
- Brzo vrijeme punjenja: 15 min - 1 sat
- Samopražnjenje na sobnoj temperaturi: 3% mjesečno
- Struja opterećenja u odnosu na kapacitet (C):
- konstantna - do 65C, pulsna - do 500C
- najprihvatljivije: do 1C
- Raspon radne temperature: -0 ... +60 °C (na temperaturama ispod nule, punjenje baterija nije moguće)
Uređaj
Litijum-jonska baterija se sastoji od elektroda (katodni materijal na aluminijskoj foliji i anodni materijal na bakrenoj foliji) razdvojenih poroznim separatorima impregniranim elektrolitom. Paket elektroda je smješten u zatvorenom kućištu, katode i anode su spojene na terminale strujnog kolektora. Kućište ima sigurnosni ventil koji smanjuje unutrašnji pritisak u vanrednim situacijama i kršenju uslova rada. Litijum-jonske baterije razlikuju se po vrsti materijala katode koji se koristi. Nosač struje u litij-ionskoj bateriji je pozitivno nabijen litijum-ion, koji ima sposobnost da prodre (interkalira) u kristalnu rešetku drugih materijala (na primjer, u grafit, metalne okside i soli) kako bi formirao kemijsku vezu, na primjer: u grafit sa stvaranjem LiC6, oksida (LiMO 2) i soli (LiM RO N) metala. U početku je litijum metal korišćen kao negativne ploče, zatim ugljeni koks. Kasnije se počeo koristiti grafit. Donedavno su se litijum oksidi sa kobaltom ili manganom koristili kao pozitivne ploče, ali ih sve više zamenjuju litij ferofosfati, koji su se pokazali sigurnim, jeftinim i netoksičnim i mogu se reciklirati na ekološki prihvatljiv način. Litijum-jonske baterije se koriste u kombinaciji sa sistemom za nadzor i kontrolu - SKU ili BMS (sustav upravljanja baterijama) i posebnim uređajem za punjenje/pražnjenje. Trenutno se u masovnoj proizvodnji litijum-jonskih baterija koriste tri klase katodnih materijala: - litijum kobaltat LiCoO 2 i čvrsti rastvori na bazi njegovog izostrukturnog litijum nikelata - litijum mangan spinel LiMn 2 O 4 - litijum ferofosfat LiFePO 4. Elektrohemijska kola litijum-jonskih baterija: litijum-kobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 litijum-ferofosfat LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6
Zbog niskog samopražnjenja i velikog broja ciklusa punjenja-pražnjenja, Li-ion baterije su najpoželjnije za korištenje u alternativnoj energiji. Štaviše, pored BMS sistema (SKU), opremljeni su inverterima (konverterima napona).
Prednosti
- Visoka gustina energije.
- Nisko samopražnjenje.
- Nema efekta memorije.
- Nije potrebno održavanje.
Nedostaci
Li-jonske baterije prve generacije bile su izložene eksplozivnim efektima. To je objašnjeno činjenicom da su koristili litij metalnu anodu, na kojoj su tijekom više ciklusa punjenja/pražnjenja nastajale prostorne formacije (dendriti), što je dovelo do kratkog spoja elektroda i, kao rezultat, požara ili eksplozije. Ovaj problem je konačno riješen zamjenom materijala anode grafitom. Slični procesi su se desili i na katodama litijum-jonskih baterija na bazi kobalt oksida kada su narušeni uslovi rada (prepunjenje). Litijum-ferofosfatne baterije su potpuno lišene ovih nedostataka. Osim toga, sve moderne litijum-jonske baterije imaju ugrađena elektronska kola koja sprječavaju prekomjerno punjenje i pregrijavanje zbog prepunjenja.
Li-jonske baterije mogu imati kraći životni vijek kada se nekontrolirano prazne u odnosu na druge tipove baterija. Kada se potpuno isprazne, litijum-jonske baterije gube sposobnost punjenja kada je priključen napon punjenja. Ovaj problem se može riješiti primjenom impulsa višeg napona, ali to negativno utiče na daljnje performanse litijum-jonskih baterija. Maksimalni "život" Li-ion baterije se postiže kada je punjenje ograničeno na 95% i pražnjenje na 15-20%. Ovaj način rada podržava BMS sistem za nadzor i kontrolu (SKU), koji je uključen u bilo koju litijum-jonsku bateriju.
Optimalni uslovi skladištenja za Li-ion baterije se postižu kada se napune na nivou od 40–70% kapaciteta baterije i na temperaturi od oko 5 °C. Istovremeno, niska temperatura je važniji faktor za male gubitke kapaciteta tokom dugotrajnog skladištenja. Prosječni vijek trajanja (služba) litijum-jonske baterije je u prosjeku 36 mjeseci, iako može biti u rasponu od 24 do 60 mjeseci.
Gubitak kapaciteta tokom skladištenja:
| temperatura | sa 40% punjenja | sa 100% napunjenosti |
|---|---|---|
| 0⁰C | 2% godišnje | 6% godišnje |
| 25 ⁰C | 4% godišnje | 20% godišnje |
| 40⁰C | 15% godišnje | 35% godišnje |
| 60⁰C | 25% godišnje | 40% za tri mjeseca |
Prema svim važećim propisima za skladištenje i rad litijum-jonskih baterija, za dugotrajno skladištenje potrebno ih je puniti do 70% kapaciteta jednom svakih 6-9 meseci.
vidi takođe
Bilješke
Književnost
- Hrustalev D. A. Baterije. M: Izumrud, 2003.
- Yuri Filippovsky Mobilna hrana. Dio 2. (RU). ComputerLab (26. maj 2009.). - Detaljan članak o Li-ion baterijama Preuzeto 26. maja 2009.
Linkovi
- GOST 15596-82 Termini i definicije.
- GOST 61960-2007 Punjive i litijumske baterije
- Litijum-jonske i litijum-polimerske baterije. iXBT (2001)
- Domaće litijum-jonske baterije
| Galvanska ćelija | Galvanska ćelija Daniel | Alkalni element | | Suhi element | Element koncentracije | Cink vazdušni element | Weston normalni element |
|---|---|
| Električne baterije | Olovna kiselina | Srebro-cink | Nikl-kadmijum | Nikl metal hidrid | Nikl-cink baterija | Litijum-jonski | Litijum polimer | Litijum gvožđe sulfid | Litijum gvožđe fosfat | Litijum titanat | Vanadijum | Gvožđe-nikl |
| Gorivne ćelije | Direktni metanol | Čvrsti oksid | Alkalna |
| Modeli | Baterija | Električna baterija | Gorivna ćelija |
| Uređaj | |
Različiti podtipovi litijum-jonskog elektrohemijskog sistema imenovani su prema vrsti njihove aktivne supstance, a mogu se označiti u celosti rečima ili u skraćenom obliku hemijskim formulama. Ono što je zajedničko litijumskim baterijama je da sve pripadaju zatvorene baterije bez održavanja. Takve formule nisu baš zgodne za čitanje ili pamćenje zbog njihove složenosti, pa su pojednostavljene u slovnu skraćenicu.
Na primjer, litijum kobaltit, jedan od najčešćih materijala za litijum-jonske baterije, ima hemijsku formulu LiCoO2 i skraćenicu LCO. Zbog jednostavnosti, može se koristiti i kratki verbalni oblik „litijum kobalt“. Kobalt je glavna aktivna supstanca i po tome se karakteriše tip baterije. Drugi tipovi litijum-jonskih elektrohemijskih sistema su takođe na sličan način svedeni na kratku formu. Ovaj odeljak navodi šest najčešćih tipova Li-jona.
1. Litijum kobalt baterija (LiCoO2)
Velika gustina energije čini litijum-kobalt baterije popularnim izborom za mobilne telefone, laptopove i digitalne fotoaparate. Baterija se sastoji od grafitne anode i katode od kobalt oksida. Katoda ima slojevitu strukturu i tokom pražnjenja, litijum joni se kreću na nju sa anode. Prilikom punjenja smjer se mijenja u suprotan. Nedostaci litijum-kobalt baterija su njihov relativno kratak radni vek, loša termička stabilnost i ograničen kapacitet opterećenja (gustina snage). Slika 1 prikazuje strukturu takve baterije.
Slika 1: Struktura litijum-kobalt baterije. Tokom pražnjenja, litijum joni se kreću od anode do katode, a tokom punjenja od katode do anode.
Litijum-kobaltna baterija ne može se puniti ili prazniti strujom većom od njene C-rated. To znači da se 18650 ćelija kapaciteta 2400 mAh može puniti ili prazniti strujom ne većom od 2400 mA. Forsiranje brzog punjenja ili povezivanje opterećenja koje zahtijeva više od 2400 mA rezultirat će nepotrebnim stresom i pregrijavanjem. Za brzo punjenje, proizvođači preporučuju C-ocenu od 0,8C ili oko 2000 mA. Kada koristite sistem zaštite baterije, on automatski ograničava punjenje i pražnjenje na siguran nivo - oko 1C.
Slika 2: Prosječna ocjena litijum-kobalt baterije. Litijum-kobalt elektrohemijski sistem ima visoku gustinu energije, ali nudi prosečnu gustinu snage, sigurnost i radni vek.
Tabela karakteristika
| Litijum kobaltit: LiCoO2 katoda (~60% kobalta), grafitna anoda Skraćenica: LCO ili Li-cobalt Razvijen 1991 |
|
| voltaža | 3,60 V nominalno; standardni radni opseg - 3,0-4,2 V |
| Specifični energetski intenzitet | 150-200 W*h/kg; specijalizovani modeli obezbeđuju do 240 W*h/kg |
| C-raning punjenje | 0,7-1C, napon punjenja 4,20 V (većina modela); Proces punjenja obično traje 3 sata; Punjenje strujom većom od 1C smanjuje vijek trajanja baterije |
| C rang kategorija | 1C; kada je napon ispod 2,50 V, prekidač za isključenje se aktivira; Struja pražnjenja iznad 1C smanjuje vijek trajanja baterije |
| 500-1000, zavisi od dubine pražnjenja, opterećenja, temperature | |
| Termički slom | Obično na 150°C. Puno punjenje pospješuje termički bijeg |
| Područja upotrebe | Mobilni telefoni, tableti, laptopi, kamere |
| Komentar | Vrlo visok specifični energetski intenzitet, ograničena specifična snaga. Visoka cijena kobalta. Služi u područjima gdje je potreban veliki kapacitet. Ima stabilnu potražnju na tržištu. |
Tabela 3: Karakteristike litijum-kobalt baterije.
2. Litijum-mangan baterija (LiMn2O4)
Dizajn litijum-jonske baterije od mangana spinela prvi put je objavljen u časopisu Materials Research Bulletin 1983. godine. Godine 1996. Moli Energy je komercijalizirao litijum-jonsku ćeliju sa litijum-mangan spinelom kao katodnim materijalom. 3D struktura spinela poboljšava protok jona na elektrodi, što rezultira smanjenim unutrašnjim otporom i poboljšanim rukovanjem strujom. Još jedna prednost spinela je njegova visoka termička stabilnost, ali životni vijek i broj ciklusa su ograničeni.
Nizak unutrašnji otpor takve ćelije osigurava brzo punjenje i visoku moguću struju pražnjenja. U veličini 18650, litijum-manganska baterija može se prazniti strujom od 20-30 A uz umjereno stvaranje topline. Osim toga, sposoban je izdržati impulse do 50 A u trajanju od jedne do dvije sekunde. Kontinuirano opterećenje od 50 A dovest će do zagrijavanja baterije, koje ne smije prelaziti 80 °C kako bi se izbjegla degradacija. Litijum-manganske baterije se koriste u alatima velike snage, medicinskoj opremi i hibridnim i električnim vozilima.
Slika 4 daje grafičku ilustraciju trodimenzionalnog kristalnog okvira katodnog materijala. Ovaj materijal je spinel, u kojem se početna struktura rešetke u obliku dijamanta pretvara u trodimenzionalnu.
Slika 4: Struktura litijum-manganske baterije. Kristalna litijum-mangan spinel katoda ima trodimenzionalnu strukturu okvira koja se pojavljuje nakon početnog formiranja. Spinel pruža nisku otpornost, ali ima umjereniju gustoću energije od kobalta.
Kapacitet litijum-manganske baterije je za oko trećinu manji od litijum-kobalt baterije. Fleksibilnost dizajna vam omogućava da optimizirate bateriju za različite zadatke i kreirate modele sa poboljšanom izdržljivošću, specifičnom snagom ili specifičnim energetskim intenzitetom. Na primjer, verzija 18650 sa poboljšanim nazivima snage ima kapacitet od samo 1100 mAh, dok ona optimizirana za kapacitet ima 1500 mAh.
Slika 5 prikazuje heksagonalni dijagram tipične litijum-manganske baterije. Performanse možda ne izgledaju posebno impresivno, ali najnoviji dizajni su poboljšali gustinu snage, sigurnost i životni vijek.
Slika 5: Karakteristike konvencionalne litijum-manganske baterije. Uprkos umjerenim ukupnim performansama, novi modeli pokazuju poboljšanu gustinu snage, sigurnost i dugovječnost.
Većina litijum-manganskih baterija se kombinuje sa litijum-nikl-mangan-kobalt (NMC) baterijama kako bi se poboljšala gustoća energije i produžio radni vek. Ova unija koristi prednosti oba sistema i naziva se LMO (NMC). Upravo ove kombinovane baterije se koriste u većini električnih vozila kao što su Nissan Leaf, Chevy Volt i BMW i3. LMO dio takve baterije, koji iznosi oko 30%, obezbjeđuje visoke mogućnosti ubrzanja elektromotora, a NMC dio je odgovoran za količinu autonomnog dometa.
Istraživanja u litijum-jonskom sistemu su uglavnom težila kombinovanju litijum-mangan ćelija sa nikl-mangan-kobalt ćelijama. Ova tri aktivna metala mogu se lako kombinovati kako bi se postigao željeni rezultat, bilo da se radi o povećanju gustine snage, karakteristikama opterećenja ili trajanju baterije. Ovaj široki spektar mogućnosti je neophodan da bi se zadovoljio pristup objedinjene tehnologije i tržište potrošačkih baterija, gde je kapacitet na prvom mestu; i industrije, gdje su potrebni akumulatorski sistemi sa dobrim karakteristikama opterećenja, dugim vijekom trajanja i pouzdanim sigurnim radom.
Tabela karakteristika
| Litijum mangan spinel: LiMn2O4 katoda, grafitna anoda Skraćenica: LNO ili Li-mangan (struktura spinela) Razvijen 1996. godine |
|
| voltaža | 3,70 V (3,80 V) nominalno; standardni radni opseg - 3,0-4,2 V |
| Specifični energetski intenzitet | 100-150 W*h/kg |
| C-raning punjenje | Standard 0,7-1C; 3C maksimum; Punjenje do 4,20V (većina baterija) |
| C rang kategorija | Standard 1C; postoje modeli sa 10C; pulsni režim rada (do 5 sekundi) - 50C; na 2,50 V prekidač za isključenje je aktiviran |
| Broj ciklusa punjenja/pražnjenja | 300-700 (u zavisnosti od dubine pražnjenja i temperature) |
| Termički slom | Obično na 250°C. Puno punjenje pospješuje termički bijeg |
| Područja upotrebe | Električni alati, medicinska oprema, elektroagregati |
| Komentar | Velika snaga, ali umjeren kapacitet; sigurniji od litijum-kobalta; obično se koristi zajedno sa NMC |
Tabela 6: Specifikacije litijum-manganske baterije.
3. Litijum-nikl-mangan-kobalt oksidna baterija (LiNiMnCoO2 ili NMC)
Jedan od najuspješnijih dizajna litijum-jonskog elektrohemijskog sistema je kombinacija nikla, mangana i kobalta (NMC) u katodi. Slično litijum-mangan sistemima, ovi sistemi se mogu optimizovati za kapacitet ili snagu. Na primjer, NMC baterija veličine ćelije 18650 za umjereno opterećenje ima kapacitet od 2800 mAh i može osigurati struju od 4-5 A; i verzija u istoj standardnoj veličini, ali optimizirana za indikatore snage, ima kapacitet od samo 2000 mAh, ali mu je maksimalna struja pražnjenja 20 A. Indikator kapaciteta se može povećati na 4000 mAh ako se silicijum doda na anodu. Ali s druge strane, to će značajno smanjiti karakteristike opterećenja i izdržljivost takve baterije. Ovakva dvosmislena svojstva silicijuma nastaju zbog njegovog širenja i skupljanja tokom punjenja i pražnjenja, što dovodi do mehaničke nestabilnosti dizajna baterije.
Tajna NMC tehnologije je kombinacija nikla i mangana. Analogija može biti obična kuhinjska so, gde su pojedinačno njene komponente, natrijum i klor, veoma otrovne, ali njihova kombinacija čini korisnu nutritivnu supstancu. Nikl je poznat po svojoj visokoj gustoći energije, ali niskoj stabilnosti; mangan ima prednost spinelne strukture, koja pruža nizak unutrašnji otpor, ali dovodi i do mana - niskog specifičnog energetskog intenziteta. Kombinacija ovih metala omogućava vam da nadoknadite jedni druge nedostatke i u potpunosti iskoristite prednosti jedni drugih.
NMC baterije se koriste za teške alate, električne bicikle i druge aplikacije za napajanje. Sastav katode, u pravilu, kombinira nikl, mangan i kobalt u jednakim dijelovima, odnosno svaki metal zauzima trećinu ukupne zapremine. Ova distribucija je poznata i kao 1-1-1. Kombinacija u ovom omjeru je povoljna zbog svoje cijene, jer je sadržaj skupog kobalta relativno mali u odnosu na druge verzije baterije. Još jedna uspješna NMC kombinacija sadrži 5 dijelova nikla, 3 dijela kobalta i 2 dijela mangana. Eksperimenti za pronalaženje uspješnih kombinacija ovih aktivnih tvari još uvijek traju. Slika 7 prikazuje karakteristike NMC baterije.
Slika 7: Procjena performansi NMC baterije. NMC ima dobre ukupne performanse i odličnu gustoću energije. Ova baterija je poželjan izbor za električna vozila i ima najniži nivo samozagrevanja.
Nedavno je NMC porodica litijum-jonskih baterija postala najpopularnija, jer je zahvaljujući mogućnosti kombinovanja aktivnih supstanci postalo moguće konstruisati ekonomičnu bateriju sa dobrim performansama. Nikl, mangan i kobalt mogu se lako pomiješati kako bi se ispunili široki rasponi zahtjeva za električna vozila ili sisteme za skladištenje energije koji zahtijevaju redovnu vožnju biciklom. Porodica NMC baterija se aktivno razvija u svojoj raznolikosti.
Tabela karakteristika
| Litijum nikl mangan kobalt oksid: LiNiMnCoO2 katoda, grafitna anoda Skraćenica: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN slično kombinaciji metala) Razvijen 2008 |
|
| voltaža | 3,60-3,70 V nominalno; standardni radni opseg - 3,0-4,2 V po ćeliji, ili više |
| Specifični energetski intenzitet | 150-220 W*h/kg |
| C-raning punjenje | 0,7-1C, punjenje do 4,20 V, u nekim modelima do 4,30 V; Proces punjenja obično traje 3 sata; Punjenje strujom većom od 1C smanjuje vijek trajanja baterije |
| C rang kategorija | 1C; neki modeli podržavaju 2C; na 2,50 V prekidač za isključenje je aktiviran |
| Broj ciklusa punjenja/pražnjenja | |
| Termički slom | Obično na 210°C. Puno punjenje pospješuje termički bijeg |
| Područja upotrebe | Električni bicikli, medicinska oprema, električna vozila, industrija |
| Komentar | Pružaju visok kapacitet i snagu. Širok raspon praktičnih primjena, tržišni udio brzo raste |
Tabela 8: Karakteristike baterije litijum-nikl-mangan-kobalt oksida (NMC).
4. Litijum-gvozdeno-fosfatna baterija (LiFePO4)
Godine 1996. sprovedeno je istraživanje na Univerzitetu Teksas, kao rezultat kojeg je otkriven novi materijal za katodu. litijum jonska baterija- gvožđe fosfat. Litijum fosfatni sistem ima dobra elektrohemijska svojstva i mali unutrašnji otpor. Glavne prednosti takvih baterija su visoka strujna vrijednost i dug vijek trajanja, osim toga, imaju dobru termičku stabilnost, povećanu sigurnost i otpornost na pogrešnu upotrebu.
Litijum fosfatne baterije su otpornije na prekomerno punjenje; ako se na njih primjenjuje visoki napon duže vrijeme, onda će posljedice degradacije biti znatno manje u odnosu na druge litijum-jonske baterije. Ali napon ćelije od 3,20 V smanjuje specifičnu gustoću energije na nivo čak niži nego kod litijum-manganske baterije. Za većinu električnih baterija, niske temperature smanjuju performanse, a visoke skraćuju životni vijek, a litijum fosfatni sistem nije izuzetak. Takođe ima veću stopu samopražnjenja od ostalih litijum-jonskih baterija. Slika 9 prikazuje karakteristike litijum fosfatne baterije.
Litijum fosfatne baterije se često koriste kao zamena za olovno-kiselinske starter baterije. Četiri ćelije takve baterije će osigurati napon od 12,8 V - sličan naponu šest dvovoltnih olovnih ćelija. Alternator vozila puni olovnu bateriju na 14,40 V (2,40 V po ćeliji). Za četiri litijum fosfatne ćelije, granični napon će biti 3,60V, nakon čega treba isključiti punjenje, što se ne dešava u normalnom vozilu. Litijum fosfatne baterije su otporne na prekomerno punjenje, ali čak i one degradiraju kada se dugo održavaju na visokom naponu. Niske temperature također mogu predstavljati problem kada koristite litijum-fosfatnu bateriju kao zamjenu za običnu startersku bateriju.
Slika 9: Procjena performansi litijum-fosfatne baterije. Litijum-fosfatni elektrohemijski sistem pruža odličnu sigurnost i dug radni vek, ali je specifičan energetski intenzitet umeren i visoko samopražnjenje je takođe vredno pažnje.
Tabela karakteristika
| Litijum ferofosfat: LiFePO4 katoda, grafitna anoda Skraćenica: LFP ili Li-fosfat |
|
| voltaža | 3,20, 3,30 V nominalno; standardni radni opseg - 2,5-3,65 V po ćeliji |
| Specifični energetski intenzitet | 90-120 W*h/kg |
| C-raning punjenje | 1C standard, punjenje do 3,65 V; Proces punjenja obično traje 3 sata |
| C rang kategorija | 1C; u nekim verzijama do 25C; 40 A impulsne struje (do 2 sekunde); na 2,50 V prekidač za isključenje se aktivira (napon ispod 2 V je štetan) |
| Broj ciklusa punjenja/pražnjenja | 1000-2000 (u zavisnosti od dubine pražnjenja i temperature) |
| Termički slom | 270°C. Siguran čak i kada je potpuno napunjen |
| Područja upotrebe | Prijenosne i stacionarne aplikacije gdje su potrebne velike struje opterećenja i izdržljivost |
Pozdrav dragi moji prijatelji i poštovaoci, čitaoci ovog bloga. Umjesto još jedne lekcije, ispravnije bi bilo reći članke u foto školska kasica prasica, odlučio sam da napišem članak o temi koja je svima bolna i važna.
Mislim da će mnogima, uključujući i vas, dragi moji čitaoci, biti i zanimljivo i korisno znati šta su takve fundamentalne stvari litijum jonske baterije, koje su njihove ograničavajuće karakteristike, kako ih treba koristiti, šta se može dobiti pravilnom upotrebom i naravno o čemu treba voditi računa dugo trajanje baterije. Zato samo naprijed.
Zašto? - pitate me, zapravo sam počeo da pišem na ovu temu. Pa baterija i baterija i šta je s tim. pa? Ali ne. Li-ion baterija, ovo je u suštini rezervoar za gorivo za mnoge naše omiljene uređaje, ili uređaje u običnom jeziku. Pa šta? - recite mi, - kakve to veze ima sa nama? A razlika je velika i bitna za vas. Ideja da napišem ovaj članak došla je nakon što smo učenici škole fotografije i ja pohađali. Vremenski uslovi su sasvim uobičajeni, oko -7 -10 Celzijusa, sunčano, lagan povjetarac, vedro. Općenito ugodno vrijeme za radoznalo oko fotografa amatera. Međutim, mnogi studenti su se zabrinuli: Nije li ovo opasno za kameru? Zar se neće smrznuti? Šta se dešava ako se smrzne? (Napisaću posebnu napomenu o temperaturnim uslovima kamere) Šta će se desiti sa baterijom fotoaparata? Čuli smo da je baterija fotoaparata vrlo osjetljiva na hladnoću i da može pokvariti, je li to istina? Istina, ali ne sve i ne u potpunosti. Hajde da to shvatimo.
Naše kamere sadrže litijum-jonske baterije. Šta bi to značilo? Evo šta. Li-ion baterije imaju znatno bolje parametre upotrebe u odnosu na druge tipove baterija. Neću ulaziti u detalje, ali u današnje vrijeme većina proizvođača potrošačke elektronike pokušava svoje proizvode opremiti Li-ion baterijama, jer su jednostavnije i jeftinije za proizvodnju i manje su štetne za okoliš.
Primarne ćelije („baterije”) sa litijumskom anodom pojavile su se početkom 70-ih godina 20. veka i brzo su našle primenu zbog svoje visoke specifične energije i drugih prednosti. Tako je ostvarena dugogodišnja želja za stvaranjem kemijskog izvora struje s najaktivnijim redukcijskim sredstvom - alkalnim metalom, što je omogućilo naglo povećanje i radnog napona baterije i njene specifične energije. Dok je razvoj primarnih ćelija s litijumskom anodom okrunjen relativno brzim uspjehom i takvi elementi su čvrsto zauzeli svoje mjesto kao izvori napajanja za prijenosnu opremu, stvaranje litijumskih baterija naišlo je na fundamentalne poteškoće, za čije je prevladavanje bilo potrebno više od 20 godina.
Nakon mnogih testova tokom 1980-ih, pokazalo se da se problem sa litijumskim baterijama vrti oko litijumskih elektroda. Tačnije, oko aktivnosti litijuma: procesi koji su se desili tokom rada na kraju su doveli do burne reakcije, nazvane "ventilacija sa emisijom plamena". Godine 1991. proizvođači su povukli veliki broj litijumskih baterija, koje su prvi put korištene kao izvor napajanja za mobilne telefone. Razlog je to što je tokom razgovora, kada je trenutna potrošnja bila na maksimumu, iz baterije izbio plamen koji je opekao lice korisnika mobilnog telefona.
Zbog inherentne nestabilnosti metala litijuma, posebno tokom punjenja, istraživanja su krenula ka stvaranju baterije bez upotrebe Li, ali koristeći njegove jone. Iako litijum-jonske baterije pružaju nešto manju gustoću energije od litijumskih baterija, litijum-jonske baterije su sigurne kada se pravilno pune i isprazne.
Ako dalje nekoga zanima dio o tome koji su hemijski procesi bili i jesu u litijum-jonskim baterijama i kako su ti isti procesi ukroćeni, onda idite na Google. Nisam dovoljno jak u hemiji i fizici da napišem članak od kojeg bih zaspao čitajući ga.
Moderne Li-ion baterije imaju visoke specifične karakteristike: 100-180 Wh/kg i 250-400 Wh/l. Radni napon: 3,5-3,7 V.
Ako su prije samo nekoliko godina proizvođači smatrali da maksimalni dostižni kapacitet Li-ion baterija nije veći od nekoliko amper-sati (sjetite se školskog kursa fizike), sada je većina razloga koji ograničavaju povećanje kapaciteta prevladana i mnogi proizvođači počeli su proizvoditi baterije s kapacitetom od stotine amper-sati, ili čak hiljade.
Moderne baterije malih dimenzija rade na strujama pražnjenja do 2 C, moćne - do 10-20 C. Raspon radne temperature: od -20 do +60 °C. Međutim, mnogi proizvođači su već razvili baterije koje rade na -40 °C. Moguće je proširiti temperaturni raspon na više temperature.
Samopražnjenje Li-ion baterija je 4-6% u prvom mjesecu, zatim je znatno manje: za 12 mjeseci baterije gube 10-20% svog pohranjenog kapaciteta. Gubitak kapaciteta Li-ion baterija je nekoliko puta manji nego kod nikl-kadmijum (Ni-Cd) baterija, i na 20 °C i na 40 °C. Resurs litijum-jonskih baterija: 500-1000 ciklusa punjenja-pražnjenja.
I ovdje će mnogi reći: -Ahhh. Zbog toga možete snimati fotoaparatom na umjereno niskim temperaturama. Da, odgovorit ću vam. Osim toga, kada baterija radi, oslobađajući energiju, u njoj se javljaju kemijske reakcije, čija je nuspojava oslobađanje toplinske energije, što omogućava bateriji da održi svoj radni temperaturni raspon duže. Osim toga, kada izvadimo kameru iz kućišta na ulici, ona (kamera, kamera) također ima pozitivnu temperaturu, odnosno dodatno povećavamo vremenski resurs tokom kojeg možemo snimati na ulici na -7 ..-15 °C. Dodajte ovome termalno grijanje procesora fotoaparata tokom snimanja, zagrijavanje matrice, čak i toplinu ruku kojima držimo fotoaparat i prenosimo ga na njega, produžava termički i vremenski vijek kamere na umjereno niskim temperaturama .
Ovo se odnosi na upotrebu baterija u radu. Pogledajmo sada malo stranu punjenja i skladištenja. Litijum-jonske baterije ne zahtevaju posebnu negu. Osnovna pravila za njihov rad nalaze se u uputama za telefon/laptop/kameru, a za sve ostalo brine BMS kolo i kontroler punjenja u napajanom uređaju. Međutim, prilikom kupovine često možete čuti sljedeće izjave prodavača ili kolege „gurua“:
“...prvo punjenje - 12–15 sati...” ili, alternativno, “...samo ostavite uređaj povezan cijelu noć...”;
“...potrebno je napraviti 3-5 punih ciklusa da bi baterija dobila kapacitet...”;
“...preporučljivo je potpuno napuniti i isprazniti bateriju...”;
“...pa šta ako je baterija stara već godinu dana, nije korištena; njegov vijek trajanja ovisi isključivo o broju ciklusa punjenja-pražnjenja...”
Hajde da vidimo koliko je gore navedeno tačno.
Prva izjava je jednostavno besmislena - kontrolna elektronika neće dozvoliti da se baterija napuni više nego što bi trebala biti.
Savjet broj 2 je također neodrživ. Nakon prvog punjenja, litijum-jonske baterije rade sa punom efikasnošću, a isprva se brže prazne samo zato što ga vlasnik uređaja postavi i prouči, pokaže prijateljima i poznanicima itd. Nakon nedelju-dve gadget ulazi u normalan način rada, što je prirodno, pozitivno utiče na autonomiju. Ali jedno potpuno punjenje prije upotrebe je ipak preporučljivo. To nije potrebno za bateriju, već kako bi uređaj mogao odrediti njen stvarni kapacitet i naknadno ispravno prikazati preostali napunjenost.
U Preporuci br. 3 „noge rastu“ čak i od pravila za rad nikl-kadmijum baterija, koje su prvo morale biti potpuno ispražnjene, inače bi dio kapaciteta bio nepovratno izgubljen. Njihove litijum-jonske kolege nemaju sličan "efekt pamćenja", štoviše, duboko pražnjenje im je kontraindicirano. Uz čestu upotrebu, to nije relevantno, jer BMS sistem ne dozvoljava da se baterija potpuno isprazni, ali ako ostane u ispražnjenom stanju mjesec dana ili više, preostalo punjenje će "iscuriti", zaštitni krug će se blokirati proces punjenja i isključite, nakon čega punjenje više neće biti moguće. Prekomjerno punjenje je također štetno, ali većina uređaja to već uzima u obzir i ne puni bateriju do 100%.
Postoji i savjet poput „napunite kako želite, ali barem jednom sedmično (mjesečno) obavite kompletan ciklus“. Ova radna shema je optimalna za nikl-metal hidridne baterije - one također imaju memorijski efekat, ali mnogo manji od Ni-Cd, i obnavljaju kapacitet nakon 1-2 puna ciklusa. Za litijum-jonske baterije to je samo djelimično tačno; na primjer, preporučuje se to učiniti nakon dugotrajnog skladištenja.
Iz tvrdnje broj 4 slijedi naizgled logičan zaključak: budući da se vijek trajanja baterije mjeri brojem ciklusa, to znači da ju je bolje koristiti maksimalno. Ovo je greška. Puno punjenje i pražnjenje ga brže troše, dok nepotpuni ciklusi, naprotiv, produžavaju vijek trajanja. Osim toga, litijum-jonske baterije gube kapacitet čak i bez upotrebe. Već nakon godinu dana "na polici" njihov se resurs smanjuje za 5-10%, nakon 2 godine - za 20-30%. Stoga, kada kupujete novi prijenosni uređaj, obratite pažnju na datum puštanja napajanja. Očigledno je i da je kupovina baterije za buduću upotrebu, čak i ako je teško naći u prodaji, beskorisna.
Veoma je važno posmatrati uslove radne temperature litijum-jonskih baterija. U mrazu ispod -20 °C jednostavno prestaju da isporučuju struju, a na vrućini iznad +45 °C iako funkcionišu, ovakvi klimatski uvjeti aktiviraju proces starenja, značajno skraćujući vijek trajanja baterije. Ali možete ga puniti samo na pozitivnim (celzijusovim) temperaturama, inače postoji veliki rizik od kvara uređaja. Općenito, optimalna radna temperatura litijum-jonskih baterija je +20 °C.
Litijum-jonske baterije se stalno poboljšavaju, a proizvođači aktivno eksperimentišu sa elektrodnim i elektrolitskim materijalima. Godine 1994. pojavile su se baterije sa litijum-manganskim katodama, a 1996. - sa litijum-gvozdeno-fosfatnim katodama. Mnogo su stabilniji i lako podnose velike struje pražnjenja, pa se koriste u električnim alatima i električnim vozilima. Od 2003. godine se proizvode baterije koje koriste složenu katodnu kompoziciju (LiNiMnCoO2) i imaju najbolju kombinaciju karakteristika od svih navedenih. Ali još niko nije uspeo da nadmaši litijum-kobaltne primerke po specifičnom kapacitetu i ceni, a prednosti novih tipova nisu tražene kod mobilnih telefona i laptopova koji troše relativno malo struje.
Ako ste svoj uređaj privremeno odložili, ali želite da mu baterija bude u ispravnom stanju, znajte da je litijum-jonske baterije najbolje čuvati na temperaturi od oko +5°C. Što je veći i što je nivo napunjenosti bliži 100%, baterija brže stari i gubi kapacitet. Najbolje ga je napuniti do 40–50%, izvaditi ga iz uređaja, zapakirati u zatvorenu plastičnu vrećicu, staviti u hladnjak (ali ne u zamrzivač!) i povremeno puniti.
To je sve što sam htio reći o baterijama, našim prijateljima, elektronskim ljubimcima. Bilo da se radi o telefonu, plejeru ili kameri.
Ovaj članak je pripremljen na osnovu materijala pronađenih na Internetu i ovdje prikupljenih na gomili radi praktičnosti i razumijevanja suštine procesa.
Imate pitanja? Pišite u komentarima i sigurno ću odgovoriti.
P.S. Prijatelji, ako vam se svidio članak ili ste ga smatrali korisnim. Ucini i meni uslugu. Podijelite vezu do članka na svojim stranicama VKontakte, Odnoklassniki, Facebook, Twitter i drugim stranicama. Da biste to učinili, samo trebate kliknuti na gumbe na dnu stranice i slijediti jednostavne korake u uputama. Također vas pozivam da se pretplatite na moj newsletter, tada sigurno nećete propustiti sljedeći, nadam se zanimljiv i koristan članak. Obrazac za pretplatu se nalazi u gornjem desnom uglu stranice.
Dozvoljeni temperaturni rasponi za punjenje i pražnjenje litijum-jonskih baterija
Testing Features
Testovi za broj ciklusa vršeni su sa strujom pražnjenja od 1C, za svaku bateriju ciklusi pražnjenja/punjenja su vršeni dok se ne postigne 80% kapaciteta. Ovaj broj je odabran na osnovu vremena testiranja i za moguće kasnije poređenje rezultata. Broj punih ekvivalentnih ciklusa je i do 7500 u nekim testovima.Testovi životnog veka su sprovedeni na različitim nivoima punjenja i temperaturama, merenja napona su vršena svakih 40-50 dana radi praćenja pražnjenja, trajanje testa je bilo 400-500 dana.
Glavna poteškoća u eksperimentima je neslaganje između deklariranog kapaciteta i stvarnog. Sve baterije imaju kapacitet veći od navedenog, u rasponu od 0,1% do 5%, što unosi dodatni element nepredvidivosti.
Najčešće su korištene NCA i NMC baterije, ali su testirane i litijum-kobaltne i litijum-fosfatne baterije.
nekoliko pojmova:
DoD - Depth of Discharge - dubina pražnjenja.
SoC - State of Charge - nivo napunjenosti.
Korišćenje baterija
Broj ciklusa
Trenutno postoji teorija da zavisnost broja ciklusa koje baterija može da izdrži od stepena pražnjenja baterije u ciklusu ima sledeći oblik (ciklusi pražnjenja su označeni plavom bojom, ekvivalentni puni ciklusi su označeni u crna):Ova kriva se zove Wöhlerova kriva. Glavna ideja je došla od mehanike o zavisnosti broja istezanja opruge od stepena istezanja. Početna vrijednost od 3000 ciklusa pri 100% pražnjenju baterije je ponderisani prosjek pri pražnjenju od 0,1C. Neke baterije pokazuju bolje rezultate, neke lošije. Pri struji od 1C, broj punih ciklusa pri 100% pražnjenju pada sa 3000 na 1000-1500, ovisno o proizvođaču.
Generalno, ovaj odnos, prikazan na grafikonima, potvrđen je rezultatima eksperimenata, jer Preporučljivo je puniti bateriju kad god je to moguće.
Proračun superpozicije ciklusa
Kada koristite baterije, moguće je raditi sa dva ciklusa istovremeno (na primjer, regenerativno kočenje u automobilu):
To rezultira sljedećim kombinovanim ciklusom:
Postavlja se pitanje, kako to utječe na rad baterije, da li je vijek trajanja baterije značajno smanjen?
Prema rezultatima eksperimenata, kombinovani ciklus je pokazao rezultate slične sabiranju kompletnih ekvivalentnih ciklusa dva nezavisna ciklusa. One. Relativni kapacitet baterije u kombinovanom ciklusu pao je u skladu sa zbirom pražnjenja u malom i velikom ciklusu (linearizovani grafikon je prikazan ispod). 
Učinak velikih ciklusa pražnjenja je značajniji, što znači da je bolje puniti bateriju u svakoj prilici.
Efekt memorije
Memorijski efekat litijum-jonskih baterija nije zabeležen prema eksperimentalnim rezultatima. Pod različitim načinima rada, njegov ukupni kapacitet se još uvijek nije naknadno promijenio. Istovremeno, postoji niz studija koje potvrđuju prisustvo ovog efekta u litijum-fosfatnim i litijum-titanijumskim baterijama.Skladištenje baterija
Temperature skladištenja
Ovdje nisu napravljena nikakva neobična otkrića. Temperature 20-25°C su optimalne (u normalnom životu) za skladištenje baterija, ako se ne koristi. Prilikom skladištenja baterije na temperaturi od 50°C, degradacija kapaciteta se dešava skoro 6 puta brže.Naravno, niže temperature su bolje za skladištenje, ali u svakodnevnom životu to znači posebno hlađenje. Pošto je temperatura vazduha u stanu obično 20-25°C, skladištenje će najverovatnije biti na toj temperaturi.
Nivo napunjenosti
Kao što su testovi pokazali, što je niže punjenje, to je sporije samopražnjenje baterije. Izmjeren je kapacitet baterije, koliki će biti tokom daljeg korištenja nakon dugotrajnog skladištenja. Najbolje rezultate su pokazale baterije koje su bile pohranjene s napunjenošću blizu nule.Općenito, dobre rezultate su pokazale baterije koje su bile uskladištene sa ne više od 60% napunjenosti na početku skladištenja. Brojevi se razlikuju od onih ispod za 100% napunjenost na gore (tj. baterija će postati neupotrebljiva prije nego što je prikazano na slici):
Slika preuzeta iz članka 5 praktičnih savjeta za korištenje litijum-jonskih baterija
U isto vrijeme, brojke za malo punjenje su optimističnije (94% nakon godinu dana na 40°C za skladištenje na 40% SOC).
Budući da je punjenje od 10% nepraktično, budući da je vrijeme rada na ovom nivou vrlo kratko, Optimalno je čuvati baterije na SOC 60%, što će vam omogućiti da ga koristite u bilo koje vrijeme i neće kritično utjecati na njegov vijek trajanja.
Glavni problemi eksperimentalnih rezultata
Niko nije sproveo testove koji se mogu smatrati 100% pouzdanim. Uzorak, po pravilu, ne prelazi nekoliko hiljada baterija od milion proizvedenih. Većina istraživača nije u mogućnosti da pruži pouzdane komparativne analize zbog nedovoljnog uzorkovanja. Također, rezultati ovih eksperimenata su često povjerljive informacije. Stoga se ove preporuke ne odnose nužno na vašu bateriju, ali se mogu smatrati optimalnim.Rezultati eksperimenata
Optimalna frekvencija punjenja - u svakoj prilici.Optimalni uslovi skladištenja su 20-25°C sa 60% napunjenosti baterije.
