Litijum-jonske i litijum-polimerske baterije

Inženjerska misao se stalno razvija: stimulisana je problemima koji se stalno pojavljuju, koji zahtijevaju razvoj novih tehnologija za njihovo rješavanje. Nikl-kadmijum (NiCd) baterije zamenjene su nikl-metal hidridnim (NiMH) baterijama, a sada pokušavaju da zauzmu mesto litijum-jonskih (Li-ion) baterija. NiMH baterije su u određenoj mjeri potisnule NiCd, ali zbog tako neospornih prednosti potonjeg kao što je mogućnost isporuke velike struje, niske cijene i dugog vijeka trajanja, nisu mogle osigurati njihovu potpunu zamjenu. Ali šta je sa litijumskim baterijama? Koje su njihove karakteristike i po čemu se Li-pol baterije razlikuju od Li-ion? Pokušajmo razumjeti ovo pitanje.

Po pravilu, prilikom kupovine mobilnog telefona ili laptopa, svi ne razmišljamo o tome kakvu bateriju imaju unutra i po čemu se ti uređaji generalno razlikuju. I tek tada, suočeni u praksi s potrošačkim kvalitetama određenih baterija, počinjemo analizirati i birati. Za one koji su u žurbi i žele odmah da dobiju odgovor na pitanje koja baterija je optimalna za mobilni telefon, odgovoriću ukratko - Li-ion. Dodatne informacije namijenjene su znatiželjnicima.

Za početak, mali izlet u istoriju.

Prvi eksperimenti za stvaranje litijumskih baterija započeli su 1912. godine, ali samo šest decenija kasnije, početkom 70-ih, prvi put su uvedene u kućne uređaje. Štaviše, naglašavam, upravo su to bile baterije. Kasniji pokušaji razvoja litijumskih baterija (punjivih baterija) bili su neuspješni zbog sigurnosnih razloga. Litijum, najlakši od svih metala, ima najveći elektrohemijski potencijal i pruža najveću gustoću energije. Baterije koje koriste litijumske metalne elektrode imaju i visok napon i odličan kapacitet. Ali kao rezultat brojnih studija 80-ih godina, ustanovljeno je da ciklički rad (punjenje - pražnjenje) litijumskih baterija dovodi do promjena na litijumskoj elektrodi, zbog čega se smanjuje termička stabilnost i postoji opasnost od termičke država izmiče kontroli. Kada se to dogodi, temperatura ćelije se brzo približava tački topljenja litijuma - i počinje burna reakcija, paljenje gasova koji se oslobađaju. Na primjer, veliki broj litijumskih baterija za mobilne telefone isporučenih u Japan 1991. godine povučen je nakon nekoliko požara.

Zbog nestabilnosti svojstvene litijumu, istraživači su skrenuli pogled na nemetalne litijumske baterije na bazi litijum jona. Nakon što su istovremeno malo izgubili u gustoći energije i poduzeli neke mjere opreza pri punjenju i pražnjenju, dobili su sigurnije takozvane Li-ion baterije.

Gustoća energije Li-ion baterija je obično dvostruko veća od standardne NiCd, a u budućnosti se, zahvaljujući upotrebi novih aktivnih materijala, očekuje da se ona još više poveća i postigne trostruku superiornost u odnosu na NiCd. Osim velikog kapaciteta, Li-ion baterija se tokom pražnjenja ponaša slično kao NiCd (oblik njihovih karakteristika pražnjenja je sličan i razlikuje se samo po naponu).

Trenutno postoji mnogo varijanti Li-ion baterija, a možete dugo pričati o prednostima i nedostacima jedne ili druge vrste, ali ih je nemoguće razlikovati po izgledu. Stoga bilježimo samo one prednosti i nedostatke koji su svojstveni svim vrstama ovih uređaja i razmatramo razloge koji su uzrokovali rođenje litijum-polimerskih baterija.

Glavne prednosti.

• Velika gustoća energije i, kao rezultat, veliki kapacitet sa istim dimenzijama u poređenju sa baterijama na bazi nikla.
• Nisko samopražnjenje.
• Visok napon jedne ćelije (3,6 V naspram 1,2 V za NiCd i NiMH), što pojednostavljuje dizajn - baterija se često sastoji od samo jedne ćelije. Mnogi proizvođači danas koriste takvu jednoćelijsku bateriju u mobilnim telefonima (sjetite se Nokie). Međutim, da bi se obezbijedila ista snaga, mora se isporučiti veća struja. A to zahtijeva osiguranje niskog unutrašnjeg otpora elementa.
• Nisko održavanje (tekući troškovi) - rezultat bez efekta memorije koji zahtijeva periodične cikluse pražnjenja da bi se obnovio kapacitet.

Nedostaci.

Tehnologija Li-ion baterija se stalno poboljšava. Ažurira se otprilike svakih šest mjeseci i teško je razumjeti kako se nove baterije ponašaju nakon dugotrajnog skladištenja.

Jednom riječju, svi bi imali dobru Li-ion bateriju da nije problema sa osiguranjem sigurnosti njenog rada i njene visoke cijene. Pokušaji rješavanja ovih problema doveli su do pojave litijum-polimerskih (Li-pol ili Li-polimer) baterija.

Njihova glavna razlika od Li-iona ogleda se u nazivu i leži u vrsti elektrolita koji se koristi. U početku, 70-ih godina, korišten je suhi čvrsti polimerni elektrolit, sličan plastičnoj foliji i koji ne provodi električnu struju, ali omogućava razmjenu iona (električno nabijenih atoma ili grupa atoma). Polimerni elektrolit zapravo zamjenjuje tradicionalni porozni separator impregniran elektrolitom.

Ovaj dizajn pojednostavljuje proces proizvodnje, sigurniji je i omogućava proizvodnju tankih baterija slobodnog oblika. Osim toga, odsustvo tečnog ili gel elektrolita eliminira mogućnost paljenja. Debljina elementa je oko jedan milimetar, tako da dizajneri opreme slobodno biraju oblik, oblik i veličinu, sve do ugradnje u komade odjeće.

Ali do sada, nažalost, suhe Li-polimer baterije imaju nedovoljnu električnu provodljivost na sobnoj temperaturi. Njihov unutrašnji otpor je previsok i ne može da obezbedi količinu struje potrebnu za moderne komunikacije i napajanje hard diskova laptopa. U isto vrijeme, kada se zagrije na 60 ° C ili više, električna vodljivost Li-polimera se povećava na prihvatljivu razinu, ali to nije prikladno za masovnu upotrebu.

Istraživači nastavljaju da razvijaju Li-polimer baterije sa suvim čvrstim elektrolitom koje rade na sobnoj temperaturi. Očekuje se da će takve baterije biti komercijalno dostupne do 2005. godine. Biće stabilne, omogućavaće 1000 punih ciklusa punjenja-pražnjenja i imaće veću gustinu energije od današnjih Li-ion baterija.

U međuvremenu, neke vrste Li-polimer baterija se trenutno koriste kao rezervno napajanje u vrućim klimama. Na primjer, neki proizvođači posebno instaliraju grijaće elemente koji održavaju temperaturu pogodnu za bateriju.

Pitate: kako to? Li-polimer baterije se uveliko prodaju na tržištu, proizvođači njima opremaju telefone i računare, a mi ovdje kažemo da još nisu spremne za komercijalnu upotrebu. Sve je vrlo jednostavno. U ovom slučaju govorimo o baterijama koje nisu sa suhim čvrstim elektrolitom. Kako bi se povećala električna provodljivost malih Li-polimer baterija, u njih se dodaje određena količina geliranog elektrolita. Većina Li-polimer baterija koje se danas koriste za mobilne telefone su zapravo hibridi jer sadrže elektrolit sličan gelu. Bilo bi ispravnije nazvati ih litijum-jonskim polimerima. Ali većina proizvođača ih jednostavno označava kao Li-polimer u promotivne svrhe. Zaustavimo se detaljnije na ovoj vrsti litijum-polimer baterija, jer su one trenutno od najvećeg interesa.

Dakle, koja je razlika između Li-ion i Li-polimer baterije sa dodatkom gel elektrolita? Iako su karakteristike i efikasnost oba sistema uglavnom slične, jedinstvenost Li-ion polimer (možete je čak i tako nazvati) baterije je u tome što i dalje koristi čvrsti elektrolit, zamjenjujući porozni separator. Gel elektrolit se dodaje samo radi povećanja jonske provodljivosti.

Tehničke poteškoće i kašnjenje u povećanju proizvodnje odložili su uvođenje Li-ion polimernih baterija. Razlog tome je, prema mišljenju pojedinih stručnjaka, želja investitora koji su uložili velike sume novca u razvoj i masovnu proizvodnju Li-ion baterija, da vrate svoja ulaganja. Stoga se ne žure s prelaskom na nove tehnologije, iako će tokom masovne proizvodnje Li-ion polimerne baterije biti jeftinije od litijum-jonskih baterija.

A sada o karakteristikama rada Li-ion i Li-polimer baterija.

Njihove glavne karakteristike su vrlo slične. Punjenje Li-ion baterija je dovoljno detaljno opisano u članku. Osim toga, dat ću samo grafikon (slika 1) koji ilustruje faze punjenja i mala objašnjenja za to.

Vrijeme punjenja svih Li-ion baterija sa početnom strujom punjenja od 1C (numerički jednako nominalnoj vrijednosti kapaciteta baterije) je u prosjeku 3 sata. Potpuno punjenje se postiže kada je napon baterije jednak gornjoj granici i kada se struja punjenja smanji na nivo približno jednak 3% početne vrijednosti. Baterija ostaje hladna tokom punjenja. Kao što možete vidjeti iz grafikona, proces punjenja se sastoji od dvije faze. U prvom (nešto više od sat vremena) napon raste uz gotovo konstantnu početnu struju punjenja od 1C sve dok prvi ne dostigne gornji prag napona. U ovom trenutku baterija je napunjena do oko 70% svog kapaciteta. Na početku drugog stupnja napon ostaje gotovo konstantan, a struja opada sve dok ne dostigne gornjih 3%. Nakon toga, naplata se u potpunosti prekida.

Ako je potrebno bateriju stalno držati u napunjenom stanju, preporučuje se punjenje nakon 500 sati, odnosno 20 dana. Obično se provodi kada se napon na terminalima baterije smanji na 4,05 V i prestaje kada dostigne 4,2 V

Nekoliko riječi o temperaturnom rasponu prilikom punjenja. Većina tipova Li-ion baterija može se puniti strujom od 1C na temperaturi od 5 do 45°C. Na temperaturama od 0 do 5 °C preporučuje se punjenje strujom od 0,1 C. Punjenje na temperaturama ispod nule je zabranjeno. Optimalna temperatura za punjenje je 15 do 25°C.

Procesi punjenja kod Li-polimer baterija su gotovo identični gore opisanim, tako da potrošač ne mora znati koju od dvije vrste baterija ima u rukama. A svi ti punjači koje je koristio za Li-ion baterije su pogodni za Li-polimer.

A sada o uslovima ispuštanja. Tipično, Li-ion baterije se prazne do 3,0 V po ćeliji, iako je za neke varijante donji prag 2,5 V. Proizvođači opreme na baterije općenito dizajniraju uređaje s pragom isključivanja od 3,0 V (za sve prilike). Šta to znači? Napon na bateriji kada se telefon uključi postepeno se smanjuje, a čim dostigne 3,0 V, uređaj će vas upozoriti i isključiti. Međutim, to uopće ne znači da je prestao trošiti energiju iz baterije. Energija, iako beznačajna, potrebna je da se odredi kada se pritisne tipka za uključivanje telefona i neke druge funkcije. Osim toga, energiju troši vlastiti interni kontrolni i zaštitni krug, a samopražnjenje, iako malo, i dalje je tipično čak i za baterije na bazi litijuma. Kao rezultat toga, ako ostavite litijumske baterije duže vrijeme bez punjenja, napon na njima će pasti ispod 2,5 V, što je vrlo loše. U tom slučaju moguće je onemogućiti interni kontrolni i zaštitni krug, a neće svi punjači moći puniti takve baterije. Osim toga, duboko pražnjenje negativno utječe na unutarnju strukturu same baterije. Potpuno ispražnjenu bateriju u prvoj fazi treba napuniti strujom od samo 0,1C. Ukratko, vjerovatnije je da će baterije biti u napunjenom stanju nego u ispražnjenom stanju.

Nekoliko riječi o temperaturnim uslovima tokom pražnjenja (pročitajte tokom rada).

Općenito, Li-ion baterije najbolje rade na sobnoj temperaturi. Rad u toplijim uslovima će ozbiljno skratiti njihov životni vek. Iako, na primjer, olovno-kiselinska baterija ima najveći kapacitet na temperaturama preko 30°C, produžena upotreba u takvom okruženju će skratiti vijek trajanja baterije. Isto tako, Li-ion radi bolje na visokim temperaturama, što u početku sprečava povećanje unutrašnjeg otpora baterije koje je rezultat starenja. Ali povećani izlaz energije je kratak, jer porast temperature, zauzvrat, potiče ubrzano starenje, praćeno daljim povećanjem unutrašnjeg otpora.

Jedini izuzetak su trenutno litijum-polimerske baterije sa suvim čvrstim polimernim elektrolitom. Za njih je od vitalnog značaja temperatura od 60°C do 100°C. I takve baterije su zauzele svoju nišu na tržištu rezervnih izvora na mjestima s vrućom klimom. Postavljeni su u toplotno izolirano kućište s ugrađenim grijaćim elementima koji se napajaju iz vanjske mreže. Smatra se da litijum-jonske polimerske baterije kao rezervne baterije nadmašuju VRLA baterije u kapacitetu i izdržljivosti, posebno na polju gde kontrola temperature nije moguća. Ali njihova visoka cijena ostaje odvraćajući faktor.

Na niskim temperaturama, efikasnost baterija u svim elektrohemijskim sistemima naglo opada. Dok je za NiMH, SLA i Li-ion baterije -20°C granica na kojoj prestaju funkcionirati, NiCd nastavlja raditi do -40°C. Samo ću napomenuti da opet govorimo samo o baterijama široke upotrebe.

Važno je ne zaboraviti da iako baterija može raditi na niskim temperaturama, to ne znači da se može puniti i pod tim uvjetima. Osjetljivost na punjenje većine baterija na vrlo niskim temperaturama je izuzetno ograničena i struju punjenja u ovim slučajevima treba smanjiti na 0,1C.

U zaključku, želio bih napomenuti da možete postavljati pitanja i raspravljati o problemima vezanim za Li-ion, Li-polymer, kao i druge vrste baterija na forumu u podforumu za dodatnu opremu.

Prilikom pisanja članka korišteni su materijali [- Baterije za mobilne uređaje i laptop računare. Analizatori baterija.

Litijum-jonske baterije nisu tako izbirljive kao njihove nikl-metal hidridne kolege, ali ipak zahtijevaju određeno održavanje. Pridržavajući se pet jednostavnih pravila, ne samo da možete produžiti životni ciklus litijum-jonskih punjivih baterija, već i povećati vrijeme rada mobilnih uređaja bez ponovnog punjenja.

Nemojte dozvoliti potpuno pražnjenje. Litijum-jonske baterije nemaju takozvani memorijski efekat, pa se mogu i, osim toga, moraju puniti bez čekanja da se isprazne do nule. Mnogi proizvođači računaju vijek trajanja litijum-jonske baterije kao broj ciklusa punog pražnjenja (do 0%). Za kvalitetne baterije, ovo je 400-600 ciklusa... Da biste produžili vijek trajanja svoje litijum-jonske baterije, češće punite telefon. Optimalno, čim napunjenost baterije padne ispod granice od 10-20 posto, možete staviti telefon na punjenje. Ovo će povećati broj ciklusa pražnjenja na 1000-1100 .
Stručnjaci opisuju ovaj proces indikatorom kao što je dubina pražnjenja. Ako je vaš telefon ispražnjen do 20%, tada je dubina pražnjenja 80%. Tabela ispod pokazuje odnos između broja ciklusa pražnjenja litijum-jonske baterije i dubine pražnjenja:

Otpuštanje svaka 3 mjeseca. Dugotrajno puno punjenje jednako je štetno za litijum-jonske baterije kao i stalno pražnjenje do nule.
Zbog izuzetno nestabilnog procesa punjenja (telefon često punimo po potrebi, a tamo gdje radi, sa USB-a, iz utičnice, iz eksterne baterije itd.), stručnjaci preporučuju potpuno pražnjenje baterije jednom svaka 3 mjeseca, a zatim punjenje na 100% i držanje napunjenog 8-12 sati. Ovo pomaže da se resetuju takozvane oznake visoke i niske napunjenosti baterije. Možete pročitati više o tome.

Skladište djelimično napunjeno... Najbolji uvjet za dugotrajno skladištenje litijum-jonske baterije je između 30 i 50 posto napunjenosti na 15 °C. Ako se baterija ostavi potpuno napunjena, njen kapacitet će se vremenom značajno smanjiti. Ali baterija, koja je već duže vrijeme skupljala prašinu na polici ispražnjena na nulu, najvjerovatnije više nije podstanar - vrijeme je da se pošalje na reciklažu.
Tabela u nastavku pokazuje koliki kapacitet ostaje u litijum-jonskoj bateriji u zavisnosti od temperature skladištenja i nivoa napunjenosti kada se skladišti 1 godinu.

Koristite originalni punjač. Malo ljudi zna da se u većini slučajeva punjač ugrađuje direktno u mobilne uređaje, a eksterni adapter samo snižava napon i ispravlja struju kućnog napajanja, odnosno ne utiče direktno na bateriju. Neki uređaji, poput digitalnih fotoaparata, nemaju ugrađeni punjač, ​​pa se njihove litijum-jonske baterije ubacuju u eksterni „punjač“. Ovdje korištenje eksternog punjača upitnog kvaliteta umjesto originalnog može negativno utjecati na performanse baterije.

Nemojte pregrijati. Pa, najgori neprijatelj litijum-jonskih baterija je visoka temperatura – one uopšte ne podnose pregrevanje. Stoga ne izlažite mobilne uređaje direktnoj sunčevoj svjetlosti niti ih ostavljajte u neposrednoj blizini izvora topline kao što su električni grijači. Maksimalne dozvoljene temperature na kojima se mogu koristiti litijum-jonske baterije: od –40°C do +50°C

Takođe, možete videti

Koja je rasprostranjena u savremenim kućnim elektronskim uređajima i nalazi svoju primenu kao izvor energije u električnim vozilima i sistemima za skladištenje energije u energetskim sistemima. To je najpopularniji tip baterija u uređajima kao što su mobilni telefoni, laptopi, električna vozila, digitalni fotoaparati i kamkorderi. Prvu litijum-jonsku bateriju objavila je Sony Corporation 1991. godine.

Specifikacije

Litijum-jonske baterije pokazuju sledeće karakteristike, u zavisnosti od elektrohemijske šeme:

• Napon jedne ćelije je 3,6 V.
• Maksimalni napon 4,2 V, minimalni 2,5-3,0 V. Punjači održavaju napon u rasponu od 4,05-4,2 V
• Gustoća energije: 110 ... 230 W * h / kg
• Unutrašnji otpor: 5 ... 15 mOhm / 1Ah
• Broj ciklusa punjenja/pražnjenja do gubitka kapaciteta od 20%: 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 (punjenje baterije nije moguće na negativnim temperaturama)

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. Telo ima sigurnosni ventil koji smanjuje unutrašnji pritisak u slučaju nužde i kršenja uslova rada. Litijum-jonske baterije se razlikuju po vrsti katodnog materijala koji se koristi. Nosač struje u litijum-jonskoj bateriji je pozitivno nabijen litijum-jon, koji ima sposobnost da se ugradi (interkalira) u kristalnu rešetku drugih materijala (na primjer, grafita, oksida i metalnih soli) uz stvaranje hemijsku vezu, na primer: u grafit sa stvaranjem LiC6, oksida (LiMO 2) i soli metala (LiM RON). U početku se kao negativne ploče koristio metalni litijum, zatim ugljeni koks. U budućnosti se počeo koristiti grafit. Donedavno su se kao pozitivne ploče koristili litij oksidi s kobaltom ili manganom, ali ih sve više zamjenjuje litij fero-fosfat, koji se pokazao sigurnim, jeftinim i netoksičnim te se može reciklirati na ekološki prihvatljiv način. Litijum-jonske baterije se koriste u kombinaciji sa sistemom za nadzor i kontrolu - BMS ili BMS (battery management system) 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 izostrukturnog litijum nikelata - litijum mangan spinel LiMn 2 O 4 - litijum ferofosfat LiFePO 4. Elektrohemijske šeme litijum-jonskih baterija: litijum-kobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi + C6 litijum-fero-fosfat 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 (IMS), opremljeni su inverterima (pretvaračima napona).

Prednosti

• Visoka gustina energije.
• Nisko samopražnjenje.
• Nedostatak memorijskog efekta.
• Bez održavanja.

nedostatke

Li-jonske baterije prve generacije bile su izložene eksplozivnim efektima. To je bilo zbog činjenice da su koristili metalnu litij anodu, na kojoj su se u procesu višestrukih ciklusa punjenja / pražnjenja pojavile prostorne formacije (dendriti), što je dovelo do zatvaranja elektroda i, kao rezultat, požara ili eksplozije. . Ovaj problem je konačno riješen zamjenom materijala anode grafitom. Slični procesi su se odvijali i na katodama litijum-jonskih baterija na bazi kobalt oksida kada su narušeni uslovi rada (prepunjenje). Litijum-fero-fosfatne baterije su potpuno lišene ovih nedostataka. Osim toga, sve moderne litijum-jonske baterije imaju ugrađena elektronska kola za sprječavanje prekomjernog punjenja i pregrijavanja zbog prekomjernog punjenja.

Li-ion baterije sa nekontrolisanim pražnjenjem mogu imati kraći životni ciklus od drugih tipova 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 postiže se kada je punjenje ograničeno odozgo na 95%, a pražnjenje je 15-20%. Ovaj način rada podržava BMS sistem za nadzor i kontrolu (BMS), koji je uključen u bilo koju litijum-jonsku bateriju.

Optimalni uslovi skladištenja za Li-ion baterije postižu se pri nivou napunjenosti od 40-70% kapaciteta baterije i temperaturi od oko 5°C. U ovom slučaju, niska temperatura je važnija za male gubitke kapaciteta tokom dugotrajnog skladištenja. Prosječni vijek trajanja (vek trajanja) litijum-jonske baterije je u prosjeku 36 mjeseci, iako može biti u rasponu od 24 do 60 mjeseci.

Gubitak skladišnog kapaciteta:

Prema svim važećim propisima za skladištenje i rad litijum-jonskih baterija, da bi se obezbedilo dugotrajno skladištenje, potrebno ih je dopuniti do nivoa od 70% kapaciteta jednom u 6-9 meseci.

vidi takođe

Bilješke (uredi)

Književnost

• Khrustalev D.A. Akumulatori. M: Emerald, 2003.
• Yuri Filippovsky Mobilna hrana. Dio 2. (RU). ComputerraLab (26. maj 2009.). - Detaljan članak o Li-ion baterijama .. Pristupljeno 26. maja 2009.

Linkovi

• GOST 15596-82 Termini i definicije.
• GOST 61960-2007 Litijumski akumulatori i baterije za skladištenje
• Litijum-jonske i litijum-polimerske baterije. iXBT (2001)
• Domaće litijum-jonske baterije

Većina modernih elektronskih uređaja, kao što su laptop, telefon ili plejer, opremljeni su litijum-jonskim baterijama, koje deluju kao samostalni izvori napajanja. Ove ionske baterije razvijene su relativno nedavno, ali su zbog svojih karakteristika stekle veliku popularnost među dizajnerima i proizvođačima naprava. Sada su, pored raznih kućanskih aparata, mnogi alati za ukrašavanje i popravke, odvijači ili strojevi za rezanje opremljeni takvim izvorima energije. Ovaj članak govori o vrstama litijum-jonskih baterija, njihovim područjima primjene i principu rada.

Vrste litijum-jonskih baterija

Punjive baterije, koje rade na principu skladištenja energije i dopremanja do potrošenog uređaja, su više vrsta, koje se mogu kombinovati u jednu litijum-jonsku jedinicu. Ove baterije uključuju:

1. Litijum kobalt baterija. Takav uređaj se sastoji od grafitne anode i katode od kobalt oksida. Katoda ima strukturu nalik pločici s prazninama između dijelova, stoga, kada se troši energija, litijevi ioni se navode na ploče sa anode, dolazi do elektromagnetske reakcije, a napon se dovodi na terminale. Nedostatak takvog sustava je slaba otpornost mehanizma na temperaturne ekstreme, jer se s negativnim indikatorima baterija prazni, čak i ako nije priključena na potrošača. Tokom punjenja proizvoda, smjer struje se mijenja, a litijevi joni ulaze u anode kroz katode, dolazi do njihovog nakupljanja i napon raste. Strogo je zabranjeno priključiti punjač na bateriju čiji je nazivni napon veći od indikatora dijela, inače se baterija može pregrijati, ploče će se rastopiti, a kućište će puknuti;
2. Litijum mangan baterija. Također se odnosi i na litijum-jonske baterije, čije je radno okruženje napravljeno od manganskog spinela u obliku trodimenzionalnih ukrštenih tunela. Za razliku od kobaltnog sistema, ova vrsta baze osigurava nesmetan prolaz litijum jona od anode do katode i dalje do kontakata uređaja. Glavna prednost litijum-jonske manganske baterije je njena niska otpornost materijala, zbog čega se takve baterije često koriste za hibridna vozila, alate koji troše veliku količinu struje ili u medicinskoj opremi koja radi autonomno. Dozvoljeno je zagrijavanje baterije tokom punjenja do 80 stepeni, a nazivna struja može biti do 20-30 Ampera. Ne preporučuje se djelovanje na bateriju strujom, čiji je napon veći od 50A, duže od dvije sekunde, inače se spineli mogu pregrijati i otkazati;

1. Litijum-jonske punjive baterije sa gvozdeno-fosfatnom katodom. Takva baterija je rijetka zbog relativno visokih troškova proizvodnje, a konačna cijena joj je nešto viša od ostalih litijum-jonskih baterija. Fosfatna katoda ima veliku prednost: to je vijek trajanja proizvoda i učestalost punjenja znatno je bolja od sličnih uređaja. Najčešće, ove baterije imaju garanciju od 10 do 50 godina ili oko 500 ciklusa punjenja. Zbog ovih karakteristika, gvožđe fosfatne baterije se često koriste u industriji kada je potrebno dobiti visok izlazni napon;
2. Litijum-nikl-mangan-kobalt-oksid ionske baterije. Ovo je najpraktičnija, u smislu troškova proizvodnje i pouzdanosti gotovog proizvoda, kombinacija materijala za izradu katode. Zbog elektrohemijskih svojstava navedenih supstanci, katoda napravljena od njih ima niske vrijednosti otpora, pa će tijekom dugog mirovanja baterije pražnjenje biti minimalno. Također, povećanjem veličine staklene ili katodne ćelije, možete povećati ukupan kapacitet baterije ili povećati napon. Tajna leži u kombinaciji mangana i nikla, koji, kada se pravilno kombinuju, stvaraju lanac sa visokim nivoom elektrohemijskih svojstava;
3. Litijum titanatna baterija. Razvijen početkom 1980-ih, za razliku od jonskih baterija sa grafitnim jezgrom, katoda ovog uređaja je napravljena od nanokristala litij-titanata. Katoda napravljena od ovog materijala omogućava da se baterija napuni u kratkom vremenskom periodu i održi napon sa nultim otporom. Ova jedinica se često koristi u autonomnim sistemima ulične rasvjete, kada je potrebno akumulirati energiju u kratkom vremenu i dati je potrošaču dugo vremena. Nedostatak takvog sistema je relativno visoka cijena gotove baterije, ali se brzo isplati zbog produženog vijeka trajanja dijela.

Bitan! Sve navedene litijum-jonske baterije su baterije koje se ne mogu servisirati, stoga u slučaju oštećenja ili kvara neće biti moguće popraviti ili izvršiti servisne radove za dodavanje elektrolita. Svaka manipulacija otvaranja poklopca baterije dovest će do uništenja ploča baterije i potpunog kvara.

Kako rade litijum-jonske baterije

Sve litijum-jonske baterije imaju sličnu strukturu, koja ima nekoliko manjih razlika koje ne utiču na to kako deo radi. Vanjski omotač je izrađen od kompozitnog materijala, plastike ili tankog obojenog metala, što je vrlo rijetko. Najčešće se baterija sastoji od plastičnog kućišta, metalnih terminala za kontakt sa potrošačem i unutrašnjih šipki sa pozitivnim i negativnim naponom. Unutrašnji litijum se puni povezivanjem eksternog uređaja sa stabilnom strujom, ali svaki proizvod ima primarni naboj, koji nastaje usled hemijske reakcije između anode i katode.

Procesi na negativnoj elektrodi od ugljičnog materijala, koji izgleda kao prirodni slojeviti grafit, su neuređeni, električno nabijeni atomi se kreću kroz matricu bez gubitka napona. Svi pokazatelji u ovom sektoru su negativni.

Pozitivna elektroda litijumske baterije izrađena je isključivo od oksida kobalta ili nikla i litijum-manganskih spinela. Tokom pražnjenja, litijum joni se udaljavaju od ugljeničnog jezgra i, reagujući sa kiseonikom, prodiru u katodu i jure van, ali ne mogu napustiti telo baterije. Nabijeni litijevi joni gube napon i ostaju na površini anode sve dok se litijum ne napuni. Tokom punjenja, ceo proces se odvija obrnutim redosledom.

Dizajn litijum-jonske baterije

Kao alkalna baterija, litijumska baterija se proizvodi u obliku cilindra ili može biti prizmatična. U cilindričnoj bateriji kao jezgro se koriste valjane elektrode, izolirane posebnim omotačem i smještene u metalno kućište koje je povezano s negativno nabijenim ćelijama. Da bi se održao polaritet, minus kontakt se nalazi na dnu, a plus kontakt je na vrhu dijela, a ovi elementi ne bi trebali dodirivati ​​jedan drugog, inače će struja cirkulirati kroz vodič, što će dovesti do spontanog pražnjenja.

Prizmatični oblik litijum-jonske baterije je prilično uobičajen. U ovom dizajnu, jezgro se formira preklapanjem posebnih ploča jedna na drugu, koje su na minimalnoj udaljenosti između sebe. Takav sistem omogućava postizanje viših tehničkih karakteristika, ali zbog čvrstog prianjanja ploča dok se baterije pune, moguće je pregrijavanje jezgre i topljenje mreže, što dovodi do smanjenja produktivnosti dijela.

Nije neuobičajeno pronaći kombinovani sistem litijum-jonskih baterija u kojem su namotane elektrode formirane u ovalni cilindar. U ovom slučaju se poštuju pravila glatkoće prijelaza, a istovremeno ravan dio imitira pločasti oblik. Takve baterije imaju karakteristike obje vrste proizvoda, njihov vijek trajanja je mnogo duži.

Tokom hemijske reakcije i rada baterije unutar kućišta nastaju gasovi koji sadrže štetne materije. Za brzo uklanjanje ovih para u slučaju litijum-jonskih baterija postoji izlaz koji ima vezu sa bankama i na vreme uklanja nakupljeni gas iz šupljine baterije. Neke baterije velike snage opremljene su posebnim ventilom koji se oslobađa tokom kritičnog nakupljanja pare.

Test litijum-jonske baterije

Litijumsko punjenje unutar baterije potrebno je periodično provjeravati, unatoč činjenici da se navedena baterija smatra neupotrebljivom, budući da je njeno kućište zapečaćeno, baterija se ipak mora provjeravati posebnim uređajem.

Pregled uvijek počinje vanjskim pregledom, tokom kojeg se tijelo dijela provjerava na pukotine i deformacije. Također, terminali baterije se pregledavaju, čiste se od oksidacije i drugih zagađivača.

Bitan! Potrebno je održavati bateriju čistom, ne dopuštajući da se kontakti zatvore, jer to može dovesti do potpunog pražnjenja baterije, bit će vrlo problematično vratiti je.

Za provjeru unutrašnjeg stanja jezgre koristi se utikač za opterećenje, koji se spaja na stezaljke i mjeri nazivni napon u mreži. Zatim se na bateriju vrši pražnjenje, a uređaj očitava indikatore za zadržavanje struje unutar dijela. Važno je uzeti u obzir da u vrijeme testa baterija mora biti potpuno napunjena, inače će očitanja biti netočna.

Primjena litijum-jonskih baterija

Litijum-jonske baterije se koriste u mnogim aplikacijama, ovisno o njihovoj konfiguraciji, obliku i nazivnom naponu. Najčešća upotreba baterija je u automobilskoj industriji, svako vozilo ima svoj izvor napajanja, koji je odgovoran za pokretanje automobila i obavlja druge funkcije.

Takođe, ove baterije se koriste u mobilnim uređajima, laptopima i drugim gadžetima. Uređaj takvih baterija sličan je automobilskim, jedina razlika je u dimenzijama proizvoda, koje mogu biti veličine kutije šibica.

U posljednje vrijeme postalo je popularno uvođenje litijum-jonskih baterija u sisteme neprekidnog napajanja kod kuće i kao hitne izvore električne energije, dok je baterija trajno povezana na centralnu mrežu. Tokom rada uređaja iz jednostavne elektrane, baterija se puni, a kada se napajanje isključi, automatski počinje opskrbljivati ​​strujom potrošača. U tom slučaju, punjiva baterija mora biti pravilno postavljena i opremljena sistemima za zaštitu od pregrijavanja.

Video

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 dobro, ali su imale niz nedostataka. U našim gadžetima se u većini slučajeva koriste litijumske baterije - litijum-jonske (Li-Ion) i litijum-polimerske (Li-Pol).

Jedna od glavnih karakteristika baterije je njen kapacitet. Određuje koliko električne energije baterija može pohraniti i koliko dugo uređaj može raditi autonomno. Najčešće baterije su one kapaciteta od 2.000 do 3.000 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 kada 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. Visoka temperatura pospješuje brže skladištenje energije, na niskoj temperaturi kapacitet značajno opada. Ako koristite nedovoljno napunjen, brzo će se isprazniti. Štoviše, postoji rizik od snižavanja punjenja na nulu, što je krajnje nepoželjno - litijumske baterije pate od potpunog pražnjenja.

I suprotna situacija. 100% napunjen pametni telefon se koristi na direktnoj sunčevoj svjetlosti. Slikovito rečeno, u ovom slučaju 100% punjenja se pretvara u 110%, a dobije se višak akumulirane električne energije, što može dovesti do smanjenja kapaciteta.

Na osnovu toga, vrijedi promatrati temperaturne uvjete gadžeta. I ne govorimo o prirodnom grijanju tijekom aktivne upotrebe - takvo povećanje temperature za bateriju ne predstavlja opasnost

Vrijeme punjenja i punjač. Svaki izvor litija opremljen je posebnim kontrolerom koji ga mora zaštititi od viška struje. Kada se dostigne puno punjenje, dolazna struja se prekida.

Moguće su greške i nepreciznosti 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 duže vrijeme nakon što se napuni do kraja. Također morate koristiti originalne punjače ili one čiji su parametri.

Litijumske baterije treba puniti bez čekanja da se uređaj potpuno isključi, na primjer, za 10-15% preostalog punjenja. Mogu se napajati kad god je to moguće tokom dana, na primjer, sa 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%.

Litijumske baterije se pune oko 1200 puta. Jednostavna aritmetika sugerira da će baterija trajati najmanje 3 godine. Prateći gore navedene smjernice, možete produžiti vijek trajanja baterije.