Litijum zauzima posebno mesto među najsavremenijim baterijama. U hemiji, litijum je najaktivniji metal.

Ima ogroman resurs za skladištenje energije. 1 kg litijuma može pohraniti 3860 amper-sati. Dobro poznati cink uveliko zaostaje. On ima ovu cifru od 820 amper-sati.

Litijumske ćelije mogu generisati napon do 3,7V. Ali laboratorijski uzorci mogu proizvesti napon od oko 4,5 V.

Čisti litijum se ne koristi u modernim litijumskim baterijama.

Postoje 3 vrste litijumskih baterija u uobičajenoj upotrebi:

litijum-jonski ( Li-ion). Nazivni napon (U nom.) - 3.6V;

Litijum polimer ( Li-Po, Li-polimer ili "lipo"). U broj. - 3.7V;

Litijum gvožđe fosfat ( Li-Fe ili LFP ). U broj. - 3.3V.

Sve ove vrste litijumskih baterija razlikuju se po materijalu katode ili elektrolita. Li-ion koristi litijum-kobaltatnu katodu LiCoO 2, Li-Po koristi gel polimer elektrolit, a Li-Fe koristi litijum-fero-fosfatnu katodu LiFePO 4.

Svaka litijumska baterija (ili uređaj u kojem radi) opremljena je malim elektronskim krugom - kontrolerom punjenja / pražnjenja. Pošto su litijumske baterije veoma osetljive na prekomerno punjenje i duboko pražnjenje, to je neophodno. Ako "pokupite" bilo koju litijumsku bateriju sa mobilnog telefona, onda u njoj možete pronaći mali elektronski krug - ovo je zaštitni kontroler ( Zaštita IC ).

Ako u litijumskoj bateriji nema ugrađenog kontrolera (ili nadzornika punjenja), onda se takva baterija naziva nezaštićenom. U ovom slučaju je u uređaj ugrađen kontroler koji se napaja iz takve baterije, a punjenje je moguće samo iz uređaja ili iz posebnog punjača.

Fotografija prikazuje nezaštićenu Li-Po bateriju Turnigy 2200 mAh 3C 25C Lipo Pack... Ova baterija se sastoji od 3 ćelije povezane u seriju (3C - 3 ćelije) svaka 3,7V i stoga ima konektor za balansiranje. Kontinuirana struja pražnjenja može doseći 25C, tj. 25 * 2200 mA = 55000 mA = 55 A! I kratkotrajna struja pražnjenja (10 sek.) - 35C!

Litijumske baterije, koje su više ćelija u seriji, zahtevaju složen punjač opremljen balanserom. Takva funkcionalnost implementirana je, na primjer, u takvim univerzalnim punjačima kao što su Turnigy Accucell 6 i IMAX B6.

Balanser je potreban da bi se izjednačio napon na pojedinačnim ćelijama tokom punjenja kompozitne litijumske baterije. Zbog razlika između ćelija, neke se mogu puniti brže, a druge sporije. Stoga se koristi poseban krug za ranžiranje struje punjenja.

Ovo je ožičenje koje ima kabl za balansiranje i napajanje 11.1V LiPo baterije.

Kao što znate, prepunjavanje ćelije litijumske baterije (posebno Li-Polymer) preko 4,2 V može dovesti do eksplozije ili spontanog sagorevanja. Stoga je tokom punjenja potrebno kontrolirati napon na svakoj ćeliji složena baterija!

Pravilno punjenje litijumskih baterija.

Litijumske baterije (Li-ion, Li-Po, Li-Fe) se pune CC/CV metodom ("Konstantna struja / konstantni napon"). Metoda se sastoji u činjenici da se u početku, kada je napon na elementu nizak, on puni konstantnom strujom određene vrijednosti. Kada se dostigne napon ćelije (na primjer, do 4,2V - ovisno o vrsti baterije), kontroler punjenja održava konstantan napon na njoj.

Prva faza punjenje litijumske baterije - CC- implementirano putem povratnih informacija. Kontroler bira napon na ćeliji tako da struja punjenja bude striktno konstantna.

Tokom prve faze punjenja, litijumska baterija pohranjuje većinu energije (60 - 80%).

Druga faza naplatiti - životopis- počinje kada napon na elementu dostigne određeni granični nivo (na primjer, na 4,2V). Nakon toga, kontroler jednostavno održava konstantan napon na elementu i daje mu struju koja mu je potrebna. Do kraja punjenja struja se smanjuje na vrijednost od 30 - 10 mA. Sa ovom strujom, ćelija se smatra napunjenom.

Tokom druge faze, baterija akumulira preostalih 40 - 20% snage.

Vrijedi napomenuti da je prekoračenje graničnog napona na litijumskoj bateriji prepuno prekomjernog pregrijavanja, pa čak i eksplozije!

Prilikom punjenja litijumskih baterija preporučuje se da ih stavite u nezapaljivu vrećicu. Ovo se posebno odnosi na baterije koje nemaju posebnu kutiju. Na primjer, oni koji se koriste u radio-upravljanim modelima (automobili, modelarstvo aviona).

Nedostaci litijum-jonskih baterija

Glavni i najstrašniji nedostatak litijumskih baterija, nazvao bih ih opasnošću od požara pri prekoračenju radnog napona, pregrijavanjem, nepravilnim punjenjem i nepismenim radom. Posebno ima puno pritužbi na litijum-polimer (Li-Polymer) baterije. Međutim, litijum-željezo-fosfatne (Li-Fe) baterije nemaju takvu negativnu osobinu - one su vatrootporne.

Takođe, litijumske baterije se jako boje hladnoće - brzo gube kapacitet i prestaju da se pune. Ovo se odnosi na Li-ion i Li-Po baterije. Litijum-gvožđe-fosfatne (Li-Fe) baterije su otpornije na mraz. Zapravo, ovo je jedna od pozitivnih osobina Li-Fe baterija.

Nedostatak litijumskih baterija je što im je potreban poseban kontroler punjenja - elektronski krug. I u slučaju kompozitne baterije i balansera.

Sa dubokim pražnjenjem, litijumske baterije gube svoja originalna svojstva. Li-ion i Li-Po baterije se posebno boje dubokog pražnjenja. Čak i nakon restauracije, takva baterija će imati manji kapacitet.

Ako litijumska baterija ne "radi" dugo vremena, tada će u početku napon na njoj pasti na nivo praga (obično 3,2-3,3V). Elektronsko kolo će potpuno isključiti ćeliju baterije, a zatim će započeti duboko pražnjenje. Ako napon na ćeliji padne na 2,5V, to može dovesti do njenog kvara.

Zbog toga se isplati puniti baterije laptopa, mobitela, mp3 plejera s vremena na vrijeme tokom dužih perioda neaktivnosti.

Tipično, vijek trajanja obične litijumske baterije je 3 do 5 godina. Nakon 3 godine, kapacitet baterije počinje prilično primjetno opadati.

Koje su vrste litijumskih baterija i njihove dizajnerske karakteristike?

Litijumske baterije su čvrsto zauzele nekoliko različitih niša na današnjem tržištu. Uglavnom se koriste u svim vrstama potrošačke elektronike, prijenosnim alatima i mobilnim uređajima, kućanskim aparatima itd. Postoje čak i litijumske baterije od 12 volti za automobile. Iako još nisu dobili široku upotrebu u automobilskoj industriji. Upotreba litijumskih baterija u različitim sektorima nacionalne ekonomije dovela je do toga da su se na tržištu pojavile mnoge varijante ovih baterija. U današnjem članku razmotrit ćemo glavne vrste litijumskih baterija.

Ovdje nećemo pisati o principu rada Li punjivih baterija i povijesti njihovog nastanka. Više o tome možete pročitati u članku na navedenom linku. Također možete zasebno pročitati materijale o i. I u ovom materijalu želio bih razmotriti upravo različite vrste Li baterija, ovisno o njihovim karakteristikama i namjeni.

Dakle, s obzirom na snagu i kapacitet litijumskih baterija. Podjela je ovdje prilično proizvoljna. Za proizvodnju baterija različitog kapaciteta, s različitim strujama pražnjenja, proizvođači mijenjaju niz parametara. Na primjer, regulišu debljinu sloja elektrodne paste na foliji (u slučaju rolne strukture). U većini slučajeva ovaj elektrodni sloj se nanosi bakarnom (negativna elektroda) i aluminijskom (pozitivna) folijom. Zbog ovog povećanja sloja elektrode povećavaju se specifični parametri baterije.

Međutim, kod nadogradnje aktivne mase potrebno je smanjiti debljinu provodne podloge (folije). Kao rezultat toga, baterija može proći manje struje bez pregrijavanja. Osim toga, povećanje sloja mase elektrode dovodi do povećanja otpora elementa. Za smanjenje otpornosti često se za aktivnu masu koriste aktivnije i dispergirane tvari. Proizvođači se "igraju" ovim parametrima kada proizvode baterije sa određenim parametrima. Baterija s tankom folijom i debelom aktivnom masom pokazuje visoke vrijednosti pohranjene energije. I njegova snaga će biti niska, i obrnuto. I to se može podesiti bez promjene standardne veličine proizvoda.

Punjive baterije različitih vrijednosti kapaciteta i struje pražnjenja dobijaju se promjenom sljedećih parametara:

• Debljina folije;
• Debljina separatora;
• Materijal pozitivne i negativne elektrode;
• Veličina čestica aktivne mase;
• Debljina elektrode.

Istovremeno, modeli baterija dizajniranih za veću snagu opremljeni su strujnim vodovima velikih dimenzija i težine. Ovo je da bi se spriječilo pregrijavanje. Također, za povećanje struje pražnjenja koriste se sve vrste tvari koje se dodaju u elektrolit ili u masu elektrode. U baterijama velikog kapaciteta strujni vodovi su obično mali. Izračunati su za struju pražnjenja do 2C (obično se struja punjenja-pražnjenja baterije ukazuje na njen kapacitet) i struju punjenja do 0,5C. Za litijumske baterije velikog kapaciteta, ove vrednosti su do 20C, odnosno do 40C.

Modeli litijumskih baterija velikog kapaciteta dizajnirani su za napajanje startera, velikog kapaciteta - za napajanje različite prijenosne opreme. Što se tiče razvoja litijumskih baterija, proizvođači svih vrsta elektronike ih naručuju od posebnih firmi. Oni ih razvijaju uzimajući u obzir predložene uslove, a zatim ih stavljaju u masovnu proizvodnju. Prilikom razvoja modernih litijumskih baterija uzimaju se u obzir sljedeći parametri:

• Kapacitet;
• Standardna i maksimalna struja pražnjenja;
• Dimenzije;
• Uslovi lokacije unutar uređaja;
• Radna temperatura;
• Resurs (broj ciklusa punjenja-pražnjenja) i drugo.

Različiti dizajni litijumskih punjivih baterija

Prema dizajnerskim karakteristikama, litijumske baterije se mogu podijeliti na dva načina:

• Dizajn trupa;
• Dizajn elektrode.

Dizajn elektrode

Roll type

Na slici ispod možete vidjeti Li─Ion bateriju u obliku rolne.

Elementi rolne konstrukcije izrađuju se od dvije vrste:

• Rola elektroda se okreće oko virtuelne ploče. Jedno kućište može primiti nekoliko paralelno povezanih rola;
• Cilindrične. Različite visine i prečnika.

Dizajn rolne se koristi tamo gdje je potrebna baterija malog kapaciteta i snage. Ova tehnologija nije mnogo radno intenzivna, jer je uvijanje elektrodnih traka i separatora potpuno automatizirano. Nedostatak ovog dizajna je slabo odvođenje topline sa elektroda. Zapravo, toplina se uklanja samo preko krajnje strane elementa.

Iz seta elektroda

U proizvodnji prizmatičnih baterija koriste se litijumske baterije sa sklopom pojedinačnih elektroda.

Ovdje se također uklanja toplina s kraja elektrode. Proizvođači pokušavaju poboljšati disipaciju topline prilagođavanjem sastava i disperzije aktivne mase.

Dizajn karoserije

Cilindrične

Vrijedi obratiti pažnju na cilindrične litijumske baterije. Široko se koriste u raznim kućanskim aparatima i elektronici. Posebno su popularne baterije.

Kao prednosti cilindričnog tijela stručnjaci navode da nema promjene zapremine tokom dugotrajnog rada. To je zbog činjenice da baterija lagano mijenja svoj volumen tokom procesa punjenja-pražnjenja. Dizajn elektroda u takvom kućištu je uvijek rolni. Nedostaci uključuju slabo odvođenje topline.

Cilindrične litijumske baterije mogu imati sljedeće strujne vodove:

• Screw borne;
• Redovne kontaktne pločice.

Tamo gdje postoje veći zahtjevi za potrošnjom struje, koristi se bušenje vijaka. Ovo je baterija velike struje pražnjenja i velikog kapaciteta (preko 20 Ah). Brojni testovi pokazuju da cilindrični litijumski akumulatori sa vijkom izdržavaju struje ne veće od 10-15C. A to su vrijednosti kratkotrajnog opterećenja pri kojem se element brzo pregrije. Tokom dugotrajnog rada mogu izdržati struje pražnjenja od 2 - 3C. Uglavnom se koristi u prijenosnim električnim alatima.

Obložene baterijske ćelije se obično koriste za formiranje baterija. Da biste to učinili, zavareni su trakom pomoću kontaktnog zavarivanja. Ponekad proizvođači već proizvode elemente s laticama za samolemljenje. Štoviše, vrsta latica može biti različita ovisno o vrsti lemljenja.

U oznaci standardne veličine cilindričnih litijumskih baterija obično su prisutne njihove dimenzije. Na primjer, 18650 litijum-jonske ćelije su visoke 65 mm i prečnika 18 mm.

Koja je rasprostranjena u modernoj kućnoj elektronskoj opremi 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. Nositelj struje u litijum-jonskoj bateriji je pozitivno nabijeni litijum-jon, koji ima sposobnost da se ugradi (interkalira) u kristalnu rešetku drugih materijala (na primjer, grafita, oksida i metalnih soli) uz stvaranje hemijska veza, 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 litijum oksidi sa 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 upravljanja i upravljanja - 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 (konverterima napona).

Prednosti

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

Nedostaci

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 se postiže kada je punjenje ograničeno odozgo na 95% i 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 se postižu 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:

temperaturu	sa 40% punjenja	sa 100% napunjenosti
0 ⁰C	2% godišnje	6% godišnje
25 ⁰C	4% godišnje	20% godišnje
40 ⁰C	15% godišnje	35% godišnje
60 ⁰C	25% godišnje	40% za tri mjeseca

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

Galvanska ćelija	Daniel Galvanic Cell | Alkalni element | | Suhi element | Koncentracioni element | Zinc Air Cell | Normalni Weston Element
Električni akumulatori	Olovna kiselina | Srebro-cink | Nikl-kadmijum | Nikl metal hidrid | Nikl-cink baterija | Litijum jonski | Lithium Polymer | 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

Litijum-jonske i litijum-polimerske baterije

Inženjerska misao se neprestano razvija: stimulisana je problemima koji se stalno pojavljuju, a za njihovo rješavanje je potreban razvoj novih tehnologija. 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 dobiti 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 počeli 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 gustinu 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 prilikom punjenja i pražnjenja, dobili su sigurnije tzv. 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. Pored 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, svako bi imao 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 koja je potrebna 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, dozvoljavaće 1000 ciklusa punjenja i 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 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 na mnogo načina slične, jedinstvenost Li-ion polimerne (možete je čak i tako nazvati) baterije je u tome što i dalje koristi čvrsti elektrolit, koji zamjenjuje porozni separator. Gel elektrolit se dodaje samo radi povećanja jonske provodljivosti.

Tehničke poteškoće i kašnjenje u povećanju proizvodnje odložili su uvođenje Li-ion polimer baterija. Razlog tome je, smatraju pojedini stručnjaci, 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 polimer 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. Uz to, 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 izvodi kada napon na terminalima baterije padne 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 u Li-polimer baterijama su gotovo identični gore opisanim, tako da potrošač ne mora znati koju od dvije vrste baterija ima u rukama. A svi oni 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 opada, 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 treba napuniti u prvoj fazi 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 im ozbiljno skratiti 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 termoizolirano kućište sa ugrađenim grijaćim elementima koji se napajaju iz vanjske mreže. Smatra se da litijum-jonske polimerne 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, želim 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.

Dozvoljeni temperaturni rasponi za punjenje i pražnjenje litijum-jonskih baterija

Karakteristike testiranja

Testovi za broj ciklusa su sprovedeni sa strujom pražnjenja od 1C, za svaku bateriju, ciklusi pražnjenja/punjenja su vršeni do dostizanja 80% kapaciteta. Ovaj broj je odabran na osnovu vremena pripreme tijesta i za moguće kasnije poređenje rezultata. Broj kompletnih ekvivalentnih ciklusa je i do 7500 u nekim testovima.
Ispitivanja životnog vijeka su vršena na različitim nivoima punjenja i temperaturama, mjerenja napona su vršena svakih 40-50 dana radi praćenja pražnjenja, trajanje testova je bilo 400-500 dana.

Glavna poteškoća u eksperimentima je neslaganje u deklariranom kapacitetu i stvarnom. Sve baterije imaju kapacitet veći od navedenog, od 0,1% do 5%, što unosi dodatni element nepredvidivosti.

Najčešće korištene baterije bile su NCA i NMC, ali su testirane i litijum-kobaltne i litijum-fosfatne baterije.

nekoliko pojmova:
DoD - Depth of Discharge - dubina pražnjenja.
SoC - State of Charge - nivo napunjenosti.

Upotreba baterije

Broj ciklusa

Trenutno postoji teorija da je ovisnost broja ciklusa koje baterija može izdržati od stepena pražnjenja baterije u ciklusu sljedeća (plava označava cikluse pražnjenja, crna označava ekvivalentne pune cikluse):

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 kompletnih ciklusa pri 100% pražnjenju pada sa 3000 na 1000-1500, ovisno o proizvođaču.

Generalno, ovaj omjer, prikazan na grafikonima, potvrđen je rezultatima eksperimenata, jer preporučljivo je puniti bateriju kad god je to moguće.

Izračunavanje superpozicije ciklusa

Kada koristite baterije, moguć je rad sa dva istovremena ciklusa (na primjer, regenerativno kočenje u automobilu):


To rezultira sljedećim kombinovanim ciklusom:


Postavlja se pitanje, kako to utječe na rad baterije, da li se vijek trajanja baterije jako smanjuje?

Prema rezultatima eksperimenata, kombinovani ciklus je pokazao rezultate kao sabiranje kompletnih ekvivalentnih ciklusa dva nezavisna ciklusa. One. relativni kapacitet baterije u kombinovanom ciklusu je opao u skladu sa zbirom pražnjenja u malom i velikom ciklusu (linearizovani grafikon je prikazan ispod).


Uticaj velikih ciklusa pražnjenja je značajniji, što znači da se potvrđuje da se baterija najbolje puni u svakoj prilici.

Efekt memorije

Memorijski efekat litijum-jonskih baterija nije uočen prema rezultatima eksperimenata. U različitim modovima njegov puni kapacitet se ionako nije mijenjao nakon toga. Istovremeno, postoji niz studija koje potvrđuju prisustvo ovog efekta u litijum-fosfatnim i litijum-titanijum baterijama.

Skladištenje baterija

Temperature skladištenja

Ovdje nisu napravljena neobična otkrića. Temperature 20-25°C je optimalno (u normalnom životu) za čuvanje baterije ako se ne koristi. Kada se baterija čuva na temperaturi od 50°C, degradacija kapaciteta je skoro 6 puta brža.
Naravno, niže temperature su bolje za skladištenje, ali u svakodnevnom životu to znači posebno hlađenje. Budući da je temperatura zraka u stanu, u pravilu, 20-25 ° C, onda će skladištenje najvjerovatnije biti na ovoj temperaturi.

Nivo napunjenosti

Kao što su testovi pokazali, što je manje punjenje, to je sporije samopražnjenje baterije. Izmjeren je kapacitet baterije, koliki bi bio da se dalje koristi nakon dugotrajnog skladištenja. Najbolji rezultati su postignuti s baterijama koje su bile pohranjene s napunjenošću blizu nule.
Općenito, baterije koje su bile pohranjene s ne više od 60% napunjenosti u vrijeme skladištenja pokazale su dobre rezultate. Brojke se razlikuju od onih u nastavku za 100% napunjenost na gore (tj. baterija će postati neupotrebljiva prije nego što je prikazano na slici):

Crtež preuzet 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, jer je vrijeme rada na ovom nivou vrlo kratko, čuvajte baterije optimalno na 60% SOC, što će omogućiti primenu u bilo kom trenutku i neće kritično uticati na njegov radni vek.

Glavni problemi eksperimentalnih rezultata

Niko nije sproveo testove koji se mogu smatrati 100% pouzdanim. Uzorak, po pravilu, ne prelazi nekoliko hiljada baterija od miliona proizvedenih. Većina istraživača nije u mogućnosti pružiti 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 - kad god je to moguće.
Optimalni uslovi skladištenja su 20-25°C pri 60% napunjenosti baterije.

Izvori od

1. Kurs "Sistemi za skladištenje baterija", RWTH Aachen, Prof. dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer