Litijumske baterije

Litijumske ili litijum-jonske (Li-ion) baterije se uglavnom nalaze u mobilnim telefonima, laptopovima i kamkorderima. Proizvodi su skupi, baterije također, pa s njima treba još kompetentnije rukovati nego sa bilo kojim drugim baterijama. Dakle, koja je snaga litijum-jona? Ovdje vjerovatno ima još više glasina i mitova. Prvo, počinje se pojavljivati ​​samo od sebe, makar samo zato što prodavači opreme s Li-ion baterijama ne daju posebne riječi za oproštaj, govoreći da je baterija "pametna" i da će sve učiniti kako treba. Ali ne sama. Na kraju krajeva, ima toliko slučajeva kada su vlasnici novih laptopa za mjesec dana učinili bateriju neupotrebljivom, a zatim dobro platili novu bateriju. Naravno, litijumske baterije su skupe jer su punjene elektronikom, ali, nažalost, to vas ne spašava od budale.

Ponovno pražnjenje

Kao iu slučaju nikl baterija, litijumske baterije se takođe jako plaše prepunjavanja i preteranog pražnjenja. No, budući da se ove baterije koriste u pametnim uređajima i da su opremljene vlastitim punjačima, njihova elektronika ne dopušta prekomjerno punjenje – dakle. ne možeš ga se bojati. Ali prekomjerno pražnjenje je teže kontrolisati, zbog čega je to najčešći uzrok ranog kvara baterije. Naravno, kod skupih i složenih uređaja, poput laptopa, do gašenja dolazi prije nego što napon padne na kritičnu vrijednost. Ali presedani ukazuju na to da je ovo isključenje u nuždi najbolje posmatrati kao hitnu mjeru, na koju je, ako je moguće, bolje ne navoditi. Ovo je najvažnije pravilo za izbjegavanje potpunog pražnjenja jer nizak napon može onemogućiti sigurnosni krug. Dešava se da ljudi "ubijaju" baterije, poneseni treningom. Trening je dobra stvar, ali za litijumske baterije su dovoljna 2-3 puna ciklusa.

Litijumske baterije nemaju memorijski efekat, tako da se mogu puniti u bilo kom trenutku, tako da je najbolje da ne ostanu bez baterija nakon treninga. Preporučeni donji prag je 5-10%. Kritični donji prag je 3%.

Mnogo nepotpunih ciklusa ili jedan potpun

Litijumske baterije imaju životni vek od približno 300 ciklusa. Puni ciklus se smatra ciklusom punog punjenja i punog (tj. do oko 3% kapaciteta) pražnjenja, ili obrnuto. Ako ispraznite bateriju do 50% pa je napunite, onda će biti 1/2 ciklusa, ako je do 75% i napunite - 1/4 ciklusa itd. Dakle, za telefone i laptope, razlika u prednostima između punog i nepotpunog ciklusa je različita. Na internetu se tvrdoglavo tvrdi da je dosta ljudi punilo svoje telefone nepotpunim pražnjenjem (odnosno svaki dan su punili telefon) i na kraju ih uništili. Istovremeno, za laptope je pouzdano poznato da puni ciklusi troše bateriju brže od nepotpunih. Situacija postaje jasnija detaljnim pregledom Li-ion baterija uređaja (vidi dodatne materijale). Ispostavilo se da mnogo zavisi od kontrolera. On je taj koji kontrolira struju punjenja, prati stanje baterije itd. Dakle, kod laptopa, kontroler se nalazi u samoj bateriji i podešava ga sistemski uslužni programi, kao što je kalibracija. Kod mobilnih telefona, kontroler se nalazi u samom telefonu i nije ga lako podesiti. Iako litijumske baterije nemaju memorijski efekat, postoji takozvani efekat "digitalne memorije". Činjenica je da kontrolna elektronika punjenja-pražnjenja, smještena u samoj bateriji, radi neovisno o uređaju koji koristi bateriju. Interna elektronika prati nivo napona ćelije, prekida punjenje kada se dostigne postavljena maksimalna vrijednost (uzimajući u obzir promjenu napona zbog struje punjenja i temperature baterije), prekida pražnjenje kada se dostigne kritična vrijednost i javlja ovo "gore" (za ove svrhe, veliki izbor specijalizovanih mikročipova). Sistem za nadzor baterije „gore“ izračunava nivo napunjenosti na osnovu informacija o momentima kada su punjenje i pražnjenje baterije isključeni i očitavanja trenutnog mernog sistema. Ali ako su radni uvjeti takvi da do potpunog pražnjenja prije isključivanja hardvera ili potpunog punjenja ne dođe, ovi proračuni nakon nekoliko ciklusa možda neće biti potpuno ispravni - kapacitet baterije se vremenom smanjuje, a očitanja trenutnog mjerača možda neće uvijek odgovarati u stvarnost. Tipično, odstupanja ne prelaze jedan posto za svaki ciklus, osim ako se tokom rada nisu dogodile ozbiljne promjene, na primjer, s kvarom jedne od ćelija baterije. Sistem za nadzor ima mogućnost "učenja", odnosno preračunavanja vrijednosti ukupnog kapaciteta baterije, ali za to je potrebno izvršiti barem jedan puni ciklus punjenja-pražnjenja prije nego što se sklope hardverska kola same baterije. aktivirati. Tako se ispostavlja da s vrlo čestim ciklusima kontroler zaluta, te stoga pogrešno izračunava napunjenost baterije i vrši pogrešno punjenje, zbog čega se baterija pogoršava. Za razliku od laptopa, telefon se ne može ponovo kalibrirati. Sve što ostaje u ovom slučaju je napraviti nekoliko punih ciklusa kako bi se kontroler doveo u red. Preporučujem, idealno, kombiniranje punih i parcijalnih ciklusa, pridržavajući se principa „zlatne sredine“. Lično sam to radio sa svojim mobilnim telefonom - kao rezultat toga, nakon 2 godine rada, pad kapaciteta nije bio veći od 40%, što je norma. Djelomično vrijeme ne štedi ni litijumske baterije – one se vremenom troše, bez obzira na rad; njihova starost je mala i razumno je mijenjati baterije svake 2-3 godine.

Skladištenje

Kada se baterija ne koristi, preporučuje se da je čuvate na 40% kapaciteta na hladnom mestu. Donja temperaturna granica za skladištenje i rad je 00 C. Općenito, litijumske baterije vole da se pune, tj. bolje ih je skladištiti i držati u napunjenom stanju, za razliku od onih od nikla. Ali kod dugotrajnog skladištenja, maksimalno punjenje i dalje više troši bateriju, pa se 40% napunjenosti smatra optimalnim stanjem.

Reanimacija baterije

Općenito, ako je baterija prazna, bolje je kupiti novu, ovo je najlogičnija opcija, iako skupa. Nisam vidio pouzdane recepte za reanimaciju baterija. Ovdje postoje prave legende, posebno o laptopima, da su ljudi reanimirali svoju uništenu bateriju laptopa i sve je u redu s njima. Jedan od njih zvuči ovako: „Morate potpuno isprazniti bateriju, ostaviti laptop na nedelju dana; zatim potpuno napunite bateriju i ostavite je nedelju dana; nakon dva mjeseca, kapacitet bi trebao biti obnovljen.

Za mobilne telefone: kombinujte potpune i djelomične cikluse (u omjeru “X3”).
Za laptopove: što manje punih ciklusa (posle treninga).
Za sve: preporučuje se 80% ciklusa; ne dozvoljavaju potpuno pražnjenje (ispod 3%).

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

Izbjegavajte potpuno pražnjenje. Litijum-jonske baterije nemaju takozvani memorijski efekat, pa se mogu i, osim toga, moraju puniti bez čekanja da se isprazni do nule. Mnogi proizvođači izračunavaju životni vijek litijum-jonske baterije prema broju ciklusa punih pražnjenja (do 0%). Za visokokvalitetne baterije 400-600 ciklusa. Da biste produžili vijek trajanja svoje litijum-jonske baterije, češće punite telefon. Optimalno, čim indikator baterije padne ispod oznake 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%. Donja tabela prikazuje ovisnost broja ciklusa pražnjenja litijum-jonske baterije o dubini pražnjenja:

Pražnjenje jednom svaka 3 mjeseca. Potpuno punjenje tokom dužeg vremenskog perioda jednako je loše 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 zidne utičnice, iz eksterne baterije itd.), stručnjaci preporučuju potpuno pražnjenje baterije jednom svaka 3 mjeseca i nakon koji se pune do 100% i drže na punjenju 8-12 sati. Ovo pomaže resetiranju takozvanih oznaka visoke i niske baterije. Možete pročitati više o tome.

Skladište djelimično napunjeno. Optimalno stanje za dugotrajno skladištenje litijum-jonske baterije je između 30 i 50 posto napunjenosti na 15°C. Ako ostavite bateriju potpuno napunjenu, njen kapacitet će se značajno smanjiti tokom vremena. Ali baterija, koja je dugo skupljala prašinu na polici ispražnjena na nulu, najvjerovatnije više nije podstanar - vrijeme je da se pošalje na reciklažu.
Tabela ispod pokazuje koliko je kapaciteta ostalo u litijum-jonskoj bateriji u zavisnosti od temperature skladištenja i nivoa napunjenosti kada se čuva 1 godinu.

Koristite originalni punjač. Malo ljudi zna da se u većini slučajeva punjač ugrađuje direktno u mobilne uređaje, a eksterni AC 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 sumnjivog kvaliteta umjesto originalnog može negativno utjecati na performanse baterije.

Izbjegavajte pregrijavanje. Pa, najgori neprijatelj litijum-jonskih baterija je visoka temperatura - one uopće ne podnose pregrijavanje. Stoga ne izlažite mobilne uređaje direktnoj sunčevoj svjetlosti i ne ostavljajte ih u neposrednoj blizini izvora topline kao što su električni grijači. Maksimalne dozvoljene temperature na kojima je moguća upotreba litijum-jonskih baterija: -40°C do +50°C

Takođe, možete videti

Litijum-jonske baterije se koriste u modernim mobilnim telefonima, laptopima, tabletima. Postepeno su izbacili alkalne baterije sa tržišta prenosive elektronike. Ranije su svi ovi uređaji koristili nikl-kadmijum i nikl-metal hidridne baterije. Ali njihovi dani su prošli jer Li─Ion baterije imaju bolje performanse. Istina, oni ne mogu zamijeniti alkalne u svakom pogledu. Na primjer, struje koje nikl-kadmijumske baterije mogu proizvesti su za njih nedostižne. Za snagu pametnih telefona i tableta to nije kritično. Međutim, u području prijenosnih električnih alata koji troše veliku struju, još uvijek se koriste alkalne baterije. Međutim, nastavlja se rad na razvoju baterija sa visokim strujama pražnjenja bez kadmija. Danas ćemo govoriti o litijum-jonskim baterijama, njihovom dizajnu, radu i perspektivama razvoja.

Prve baterije sa litijumskom anodom proizvedene su sedamdesetih godina prošlog veka. Imali su visok specifični energetski intenzitet, što ih je odmah učinilo traženim. Stručnjaci su dugo nastojali razviti izvor alkalnih metala koji ima visoku aktivnost. Zahvaljujući tome postignut je visok napon ove vrste baterija i specifična energija. Istovremeno, razvoj dizajna takvih elemenata obavljen je prilično brzo, ali je njihova praktična upotreba izazvala poteškoće. Uspeli su da se izbore tek 90-ih godina prošlog veka.

Tokom ovih 20 godina, istraživači su došli do zaključka da je glavni problem litijumska elektroda. Ovaj metal je veoma aktivan i tokom rada je došlo do brojnih procesa koji su na kraju doveli do paljenja. Ovo se počelo nazvati ventilacijom plamena. Zbog toga su početkom 90-ih proizvođači bili prisiljeni povući baterije proizvedene za mobilne telefone.

Desilo se to nakon niza nesreća. U trenutku razgovora, struja potrošena iz baterije je dostigla svoj maksimum i ventilacija je počela izbacivanjem plamena. Kao rezultat toga, bilo je mnogo slučajeva opekotina lica od strane korisnika. Stoga su naučnici morali poboljšati dizajn litijum-jonskih baterija.

Metalni litijum je izuzetno nestabilan, posebno pri punjenju i pražnjenju. Stoga su istraživači počeli stvarati litijumsku bateriju bez upotrebe litijuma. Počeli su se koristiti joni ovog alkalnog metala. Odatle je došlo njihovo ime.

Litijum-jonske baterije imaju nižu specifičnu energiju od . Ali oni su sigurni ako se poštuju norme punjenja i pražnjenja.

Reakcije se odvijaju u Li─Ion bateriji

Proboj u pravcu uvođenja litijum-jonskih baterija u potrošačku elektroniku bio je razvoj baterija, u kojima je negativna elektroda bila napravljena od ugljičnog materijala. Kristalna rešetka ugljika je vrlo pogodna kao matrica za interkalaciju litijum jona. Da bi se povećao napon baterije, pozitivna elektroda je napravljena od kobalt oksida. Potencijal štampanog kobalt oksida je približno 4 volta.

Radni napon većine litijum-jonskih baterija je 3 volta ili više. Tokom pražnjenja na negativnoj elektrodi, litijum se deinterkalira iz ugljenika i interkalira u kobaltov oksid pozitivne elektrode. Tokom procesa punjenja, procesi se odvijaju obrnuto. Ispostavilo se da u sistemu nema metalnog litijuma, ali rade njegovi ioni koji se kreću od jedne elektrode do druge, stvarajući električnu struju.

Reakcije na negativnoj elektrodi

Svi moderni komercijalni modeli litijum-jonskih baterija imaju negativnu elektrodu od materijala koji sadrži ugljik. Složeni proces interkalacije litijuma u ugljik uvelike ovisi o prirodi ovog materijala, kao i o tvari elektrolita. Ugljična matrica na anodi ima slojevitu strukturu. Struktura može biti naručena (prirodni ili sintetički grafit) ili djelomično naručena (koks, čađ, itd.).

Tokom interkalacije, litijum joni guraju slojeve ugljenika, prodiru između njih. Dobijaju se različiti interkalati. Tokom interkalacije i deinterkalacije, specifični volumen karbonske matrice se neznatno mijenja. U negativnoj elektrodi, osim ugljičnog materijala, mogu se koristiti srebro, kositar i njihove legure. Također pokušavaju koristiti kompozitne materijale sa silicijumom, kalajnim sulfidima, spojevima kobalta itd.

Reakcije na pozitivnoj elektrodi

U primarnim litijumskim ćelijama (baterijama) se često koriste različiti materijali za izradu pozitivne elektrode. Kod baterija se to ne može učiniti i izbor materijala je ograničen. Stoga je pozitivna elektroda Li─Ion baterije napravljena od litizovanog nikl ili kobalt oksida. Litijum-mangan spineli se takođe mogu koristiti.

Danas su u toku istraživanja materijala od miješanih fosfata ili oksida za katodu. Kao što su stručnjaci uspjeli dokazati, takvi materijali poboljšavaju električne karakteristike litijum-jonskih baterija. Razvijaju se i metode za taloženje oksida na površini katode.

Reakcije koje se odvijaju u litijum-jonskoj bateriji tokom punjenja mogu se opisati sledećim jednadžbama:

pozitivna elektroda

LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe -

negativna elektroda

C + xLi + + xe - → CLi x

Tokom procesa pražnjenja, reakcije se odvijaju u suprotnom smjeru.

Slika ispod šematski prikazuje procese koji se dešavaju u litijum-jonskoj bateriji tokom punjenja i pražnjenja.

Uređaj za litijum-jonsku bateriju

Prema svom dizajnu, Li─Ion baterije se izrađuju u cilindričnom i prizmatičnom dizajnu. Cilindrični dizajn je rola elektroda sa separatorom za odvajanje elektroda. Ova rolna je smeštena u aluminijumskom ili čeličnom kućištu. Na njega je spojena negativna elektroda.

Pozitivni kontakt je prikazan u obliku jastučića na kraju baterije.

Li─Ion baterije prizmatičnog dizajna prave se slaganjem pravougaonih ploča jedna na drugu. Takve baterije omogućavaju da ambalaža bude gušća. Poteškoća leži u održavanju tlačne sile na elektrodama. Postoje prizmatične baterije sa rolni sklopom elektroda uvijenih u spiralu.

Sve litijum-jonske baterije su dizajnirane sa mjerama koje osiguravaju njihov siguran rad. Prije svega, to se tiče sprječavanja zagrijavanja i paljenja. Ispod poklopca baterije ugrađen je mehanizam koji povećava otpor baterije kako se povećava temperaturni koeficijent. Kada pritisak unutar baterije poraste iznad dozvoljene granice, mehanizam razbija pozitivni terminal i katodu.

Osim toga, za povećanje sigurnosti rada u Li-Ion baterijama, obavezna je elektronska ploča. Njegova svrha je da kontroliše procese punjenja i pražnjenja, da isključi pregrijavanje i kratke spojeve.

Sada se proizvode mnoge prizmatične litijum-jonske baterije. Primjenu pronalaze u pametnim telefonima i tabletima. Dizajn prizmatičnih baterija se često može razlikovati od proizvođača do proizvođača, jer nema jedinstveno ujedinjenje. Elektrode suprotnog polariteta razdvojene su separatorom. Za njegovu proizvodnju koristi se porozni polipropilen.

Dizajn Li-Ion i drugih tipova litijumskih baterija je uvek zapečaćen. Ovo je obavezan zahtjev, jer curenje elektrolita nije dozvoljeno. Ako iscuri, elektronika će se oštetiti. Osim toga, zatvoreni dizajn sprječava ulazak vode i kisika u bateriju. Ako uđu unutra, uništit će bateriju kao rezultat reakcije s elektrolitom i elektrodama. Proizvodnja komponenti za litijumske baterije i njihova montaža vrši se u posebnim suvim kutijama u atmosferi argona. U ovom slučaju koriste se složene metode zavarivanja, brtvljenja itd.

Što se tiče količine aktivne mase Li-Ion baterije, proizvođači tu uvijek traže kompromis. Moraju postići maksimalan kapacitet i osigurati sigurnost rada. Odnos se zasniva na:

A o / A n \u003d 1.1, gdje

A o je aktivna masa negativne elektrode;

A p je aktivna masa pozitivne elektrode.

Ova ravnoteža sprečava stvaranje litijuma (čistog metala) i eliminiše paljenje.

Parametri Li-Ion baterija

Litijum-jonske baterije koje se danas proizvode imaju visok specifični energetski intenzitet i radni napon. Potonji je u većini slučajeva od 3,5 do 3,7 volti. Energetski intenzitet je od 100 do 180 vat-sati po kilogramu ili od 250 do 400 po litru. Prije nekog vremena proizvođači nisu mogli proizvoditi baterije kapaciteta većeg od nekoliko amper-sati. Sada su otklonjeni problemi koji koče razvoj u ovom pravcu. Tako su se u prodaji počele naći litijumske baterije kapaciteta nekoliko stotina amper-sati.

Struja pražnjenja modernih Li─Ion baterija kreće se od 2C do 20C. Rade u rasponu temperatura okoline od -20 do +60 Celzijusa. Postoje modeli efikasni na -40 Celzijusa. Ali vrijedi odmah reći da posebne serije baterija rade na negativnim temperaturama. Obične litijum-jonske baterije za mobilne telefone postaju neispravne na niskim temperaturama.

Samopražnjenje ove vrste baterija je 4-6 posto tokom prvog mjeseca. Nadalje, smanjuje se i iznosi postotak godišnje. To je znatno manje nego kod nikl-kadmijum i nikl-metal hidridnih baterija. Vijek trajanja je otprilike 400-500 ciklusa punjenja-pražnjenja.

Sada razgovarajmo o karakteristikama rada litijum-jonskih baterija.

Radne litijum-jonske baterije

Punjenje Li─Ion baterija

Punjenje litijum-jonskih baterija se obično kombinuje. Prvo se pune konstantnom strujom od 0,2-1C dok ne dobiju napon od 4,1-4,2 volta. Zatim se punjenje vrši konstantnim naponom. Prvi korak traje oko sat vremena, a drugi oko dva. Za brže punjenje baterije koristite pulsni način rada. U početku su se proizvodile Li─Ion baterije sa grafitom i za njih je postavljeno ograničenje napona od 4,1 volta po ćeliji. Činjenica je da su pri većem naponu u ćeliji počele nuspojave, smanjujući vijek trajanja ovih baterija.

Postepeno, ovi nedostaci su eliminisani legiranjem grafita sa raznim aditivima. Moderne litijum-jonske ćelije pune se do 4,2 volta bez problema. Greška je 0,05 volti po ćeliji. Postoje grupe Li─Ion baterija za vojni i industrijski sektor, gdje je potrebna povećana pouzdanost i dug vijek trajanja. Za takve baterije, maksimalni napon po ćeliji je 3,90 volti. Imaju nešto manju gustoću energije, ali produženi vijek trajanja.

Ako punite litijum-jonsku bateriju sa strujom od 1C, tada će vrijeme za puni set kapaciteta biti 2-3 sata. Baterija se smatra potpuno napunjenom kada napon poraste do maksimuma, a struja padne na 3 posto vrijednosti na početku procesa punjenja. To se može vidjeti na grafikonu ispod.

Grafikon ispod prikazuje faze punjenja Li─Ion baterije.

Proces punjenja se sastoji od sljedećih koraka:

• Faza 1. U ovoj fazi, maksimalna struja punjenja teče kroz bateriju. Nastavlja se sve dok se ne dostigne granični napon;
• Faza 2. Sa konstantnim naponom baterije, struja punjenja se postepeno smanjuje. Ova faza se prekida kada se struja smanji na 3 posto početne vrijednosti;
• Faza 3. Ako se baterija stavi u skladište, tada u ovoj fazi postoji periodično punjenje kako bi se nadoknadilo samopražnjenje. Radi se otprilike svakih 500 sati.
  Iz prakse je poznato da povećanje struje punjenja ne smanjuje vrijeme punjenja baterije. Kako se struja povećava, napon raste brže do granične vrijednosti. Ali tada druga faza punjenja traje duže. Neki punjači (punjači) mogu napuniti Li─Ion bateriju za sat vremena. U takvoj memoriji nema druge faze, ali u stvarnosti je baterija u ovom trenutku napunjena negdje 70 posto.

Što se tiče mlaznog punjenja, ono nije primjenjivo za litijum-jonske baterije. To je zato što ova vrsta baterije ne može apsorbirati višak energije prilikom punjenja. Mlazno punjenje može dovesti do prelaska nekih litijum jona u metalno stanje (valencija 0).

Kratko punjenje dobro kompenzira samopražnjenje i gubitak električne energije. Punjenje u trećoj fazi može se vršiti svakih 500 sati. U pravilu se izvodi kada napon baterije padne na 4,05 volti na jednom elementu. Punjenje se vrši sve dok napon ne poraste na 4,2 volta.

Vrijedi napomenuti slabu otpornost litijum-jonskih baterija na prekomjerno punjenje. Kao rezultat primjene viška naboja na ugljičnu matricu (negativna elektroda), može početi taloženje metala litija. Ima vrlo visoku hemijsku aktivnost i u interakciji je sa elektrolitom. Kao rezultat toga, na katodi počinje evolucija kisika, što prijeti povećanjem tlaka u kućištu i smanjenjem tlaka. Stoga, ako punite Li─Ion ćeliju zaobilazeći kontroler, nemojte dozvoliti da napon poraste kada punite više od preporučenog od strane proizvođača baterije. Ako bateriju stalno punite, njen vijek trajanja će se skratiti.

Proizvođači obraćaju ozbiljnu pažnju na sigurnost Li-Ion baterija. Punjenje prestaje kada napon poraste iznad dozvoljenog nivoa. Također je instaliran mehanizam za isključivanje punjenja kada temperatura baterije poraste iznad 90 Celzijusa. Neki moderni modeli baterija imaju u svom dizajnu prekidač mehaničkog tipa. Pokreće se povećanjem pritiska unutar kućišta baterije. Mehanizam kontrole napona elektronske ploče isključuje staklenku od vanjskog svijeta minimalnim i maksimalnim naponom.

Postoje litijum-jonske baterije bez zaštite. Ovo su modeli koji u svom sastavu sadrže mangan. Ovaj element, kada je prepunjen, doprinosi inhibiciji metalizacije litijuma i oslobađanju kiseonika. Stoga u takvim baterijama zaštita postaje nepotrebna.

Karakteristike skladištenja i pražnjenja litijum-jonskih baterija

Litijumske baterije se dosta dobro čuvaju i samopražnjenje godišnje je samo 10-20%, u zavisnosti od uslova skladištenja. Ali u isto vrijeme, degradacija ćelija baterije se nastavlja čak i ako se ne koristi. Općenito, svi električni parametri litijum-jonske baterije mogu se razlikovati za svaki pojedinačni slučaj.

Na primjer, napon tokom pražnjenja varira u zavisnosti od stepena napunjenosti, struje, temperature okoline, itd. Na vijek trajanja baterije utiču struje i načini ciklusa pražnjenje-punjenje, temperatura. Jedan od glavnih nedostataka Li-Ion baterija je njihova osjetljivost na način punjenja-pražnjenja, zbog čega pružaju mnogo različitih vrsta zaštite.

Grafikoni ispod pokazuju karakteristike pražnjenja litijum-jonskih baterija. Oni razmatraju zavisnost napona od struje pražnjenja i temperature okoline.

Kao što se može vidjeti, kako se struja pražnjenja povećava, pad kapacitivnosti je beznačajan. Ali u isto vrijeme, radni napon je primjetno smanjen. Slična slika se opaža i na temperaturama ispod 10 stepeni Celzijusa. Također je vrijedno napomenuti početni pad napona baterije.

U savremenim mobilnim telefonima, fotoaparatima i drugim uređajima najčešće se koriste litijum-jonske baterije koje zamenjuju alkalne i nikl-kadmijum baterije, koje su po mnogo čemu superiorne. Po prvi put, baterije sa litijumskom anodom pojavile su se 70-ih godina prošlog veka i odmah postale veoma popularne zbog visokog napona i energetskog intenziteta.

Istorija izgleda

Razvoj je bio kratkog daha, ali su se na praktičnom nivou pojavile poteškoće koje su rešene tek 90-ih godina prošlog veka. Zbog visoke aktivnosti litijuma, unutar ćelije su se odvijali hemijski procesi koji su doveli do paljenja.

Početkom 90-ih dogodio se niz nesreća – korisnici telefona su prilikom razgovora zadobili teške opekotine kao rezultat spontanog zapaljenja elemenata, a potom i samih komunikacionih uređaja. S tim u vezi, baterije su u potpunosti ukinute, a prethodno puštene su vraćene iz prodaje.

Moderne litijum-jonske baterije ne koriste čisti metal, već samo njegove jonizovane spojeve, jer su stabilnije. Nažalost, naučnici su morali ići na značajno smanjenje kapaciteta baterije, ali su uspjeli postići glavno - ljudi više nisu patili od opekotina.

Kristalna rešetka različitih ugljičnih spojeva pokazala se pogodnom za interkalaciju litijevih jona na negativnoj elektrodi. Pri punjenju se kreću od anode do katode, a pri pražnjenju obrnuto.

Princip rada i sorte

U svakoj litij-ionskoj bateriji negativna elektroda je bazirana na tvarima koje sadrže ugljik, čija struktura može biti naručena ili djelomično. U zavisnosti od materijala, proces interkalacije Li u C varira. Pozitivna elektroda je uglavnom napravljena od niklovanog ili kobalt oksida.

Sumirajući sve reakcije, one se mogu predstaviti u sljedećim jednadžbama:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe - za katodu.
2. C + xLi+ + xe → CLix - za anodu.

Jednačine su prikazane za slučaj pražnjenja; pri punjenju one teku u suprotnom smjeru. Naučnici rade na proučavanju novih materijala koji se sastoje od miješanih fosfata i oksida. Planirano je da se ovi materijali koriste za katodu.

Postoje dvije vrste Li-Ion baterija:

1. cilindrični;
2. prizmatični.

Glavna razlika je raspored ploča (u prizmatičnom - jedna na drugu). Veličina litijumske baterije zavisi od toga. Prizmatični su po pravilu gušći i kompaktniji.

Osim toga, unutra se nalazi sigurnosni sistem - mehanizam koji povećava otpor kako temperatura raste, i prekida anodno-katodno kolo pri povišenom pritisku. Zahvaljujući elektronskoj ploči, kolo postaje nemoguće, jer kontrolira procese unutar baterije.

Elektrode suprotnog polariteta razdvojene su separatorom. Kućište mora biti hermetički zatvoreno, curenje elektrolita ili ulazak vode i kiseonika će uništiti i bateriju i sam elektronski nosač.

Različiti proizvođači litijumskih baterija mogu izgledati potpuno drugačije, ne postoji jedinstveni oblik proizvoda. Omjer aktivnih masa anode i katode trebao bi biti približno 1:1, inače je moguće stvaranje metalnog litija, što će dovesti do paljenja.

Prednosti i nedostaci

Baterije imaju odlične parametre koji se razlikuju od proizvođača do proizvođača. Nazivni napon je 3,7-3,8 V sa maksimalno 4,4 V. Gustoća energije (jedan od glavnih pokazatelja) je 110-230 W * h / kg.

Unutrašnji otpor se kreće od 5 do 15 mOhm/1Ah. Vijek trajanja u smislu broja ciklusa (pražnjenje/punjenje) je 1000-5000 jedinica. Vrijeme brzog punjenja je 15-60 minuta. Jedna od najznačajnijih prednosti je spor proces samopražnjenja (samo 10-20% godišnje, od čega 3-6% za prvi mjesec). Raspon radne temperature je 0 C - +65 C, na temperaturama ispod nule punjenje nije moguće.

Punjenje se odvija u nekoliko faza:

1. do određene tačke teče maksimalna struja punjenja;
2. kada se postignu radni parametri, struja se postepeno smanjuje na 3% maksimalne vrijednosti.

Kada se skladišti otprilike svakih 500 sati, potrebno je periodično punjenje kako bi se nadoknadilo samopražnjenje. Prilikom prekomjernog punjenja može se taložiti metalni litijum, koji u interakciji s elektrolitom stvara kisik. Ovo povećava rizik od smanjenja pritiska zbog povećanog unutrašnjeg pritiska.

Često punjenje značajno skraćuje vijek trajanja baterije. Osim toga, utiče na okolinu, temperatura, struja itd.

Element ima nedostatke, među kojima su sljedeće:

Radni uslovi

Najbolje je čuvati bateriju pod sljedećim uvjetima O: Napunjenost mora biti najmanje 40%, a temperatura ne smije biti niska ili visoka. Najbolja opcija je raspon od 0C do +10C. Obično se oko 4% kapaciteta izgubi za 2 godine, zbog čega se ne preporučuje kupovina baterija ranijih datuma proizvodnje.

Naučnici su izmislili način da produže rok trajanja. U elektrolit se dodaje odgovarajući konzervans. Međutim, takve baterije treba "obučiti" u obliku 2-3 puna ciklusa pražnjenja / punjenja kako bi kasnije mogle raditi u normalnom načinu rada. U suprotnom može doći do "efekta pamćenja" i naknadnog oticanja cijele strukture. Uz pravilnu upotrebu i usklađenost sa svim standardima skladištenja, baterija može trajati dugo, dok će njen kapacitet ostati na visokom nivou.

Procesi punjenja i pražnjenja bilo koje baterije odvijaju se kao hemijska reakcija. Međutim, punjenje litijum-jonskih baterija je izuzetak od pravila. Naučne studije pokazuju energiju takvih baterija kao haotično kretanje jona. Tvrdnje stručnjaka zaslužuju pažnju. Ako je naučno ispravno puniti litijum-jonske baterije, onda bi ovi uređaji trebali trajati zauvijek.

Činjenice o gubitku korisnog kapaciteta baterije, potvrđene praksom, naučnici vide u ionima blokiranim takozvanim zamkama.

Stoga, kao što je slučaj sa drugim sličnim sistemima, litijum-jonski uređaji nisu imuni na kvarove u procesu njihove primene u praksi.

Punjači za Li-ion dizajn imaju neke sličnosti sa uređajima dizajniranim za olovno-kiselinske sisteme.

Ali glavne razlike između ovakvih punjača vide se u opskrbi ćelija visokim naponom. Osim toga, primjećuju se strože tolerancije struje, plus eliminacija povremenog ili plutajućeg punjenja kada je baterija potpuno napunjena.

Relativno snažno napajanje koje se može koristiti kao uređaj za skladištenje energije za alternativne energetske dizajne

Ako se razlikuju u određenoj fleksibilnosti u pogledu naponskog povezivanja / isključenja, proizvođači litijum-jonskih sistema kategorički odbijaju ovaj pristup.

Li-ion baterije i pravila rada ovih uređaja ne dopuštaju mogućnost neograničenog prekomjernog punjenja.

Stoga ne postoji takozvani "čudesni" punjač za litijum-jonske baterije koji može produžiti vijek trajanja na duže vrijeme.

Nemoguće je dobiti dodatni kapacitet Li-iona zbog impulsnog punjenja ili drugih poznatih trikova. Litijum-jonska energija je vrsta „čistog“ sistema koji prihvata strogo ograničenu količinu energije.

Punjenje baterija sa mešavinom kobalta

Klasični dizajn litijum-jonskih baterija opremljen je katodama čija se struktura sastoji od materijala:

• kobalt,
• nikal,
• mangan,
• aluminijum.

Svi su obično napunjeni naponom do 4,20V/I. Dozvoljeno odstupanje nije više od +/- 50 mV/I. Ali postoje i određene vrste litijum-jonskih baterija na bazi nikla koje omogućavaju napon punjenja do 4,10 V/m.

Litijum-jonske baterije sa mešavinom kobalta imaju unutrašnje sigurnosne krugove, ali to retko čuva bateriju od eksplozije u režimu prepunjavanja.

Postoje i razvoji litijum-jonskih baterija, gde je povećan procenat litijuma. Za njih, napon punjenja može doseći vrijednost od 4,30V / I i više.

Pa, povećanje napona povećava kapacitivnost, ali ako napon prelazi specifikaciju, to je prepuno uništenja strukture baterije.

Stoga su uglavnom litijum-jonske baterije opremljene zaštitnim krugovima, čija je svrha održavanje utvrđene norme.

Potpuno ili djelomično punjenje

Međutim, praksa pokazuje da najsnažnije litijum-jonske baterije mogu prihvatiti veći napon, pod uslovom da se koristi na kratko.

Sa ovom opcijom, efikasnost punjenja je oko 99%, a ćelija ostaje hladna tokom cijelog vremena punjenja. Istina, neke litijum-jonske baterije se i dalje zagrijavaju za 4-5C kada dostignu puno punjenje.

Možda je to zbog zaštite ili zbog visokog unutrašnjeg otpora. Za takve baterije, punjenje treba prekinuti kada temperatura poraste više od 10ºC uz umjerenu brzinu punjenja.

Litijum-jonske baterije u punjaču na punjenju. Indikator pokazuje da su baterije potpuno napunjene. Dalji proces prijeti oštećenjem baterija

Potpuno punjenje sistema sa mešavinom kobalta se dešava sa graničnom vrednošću napona. U tom slučaju struja opada do 3 -5% od nominalne vrijednosti.

Baterija će pokazati punu napunjenost čak i kada se dostigne određeni nivo kapaciteta, koji ostaje nepromijenjen dugo vremena. Razlog tome može biti povećano samopražnjenje baterije.

Povećanje struje punjenja i naboja zasićenja

Treba napomenuti da povećanje struje punjenja ne ubrzava postizanje stanja punog napunjenosti. Litijum - brže će dostići vršni napon, ali punjenje do potpunog zasićenja kapaciteta zahteva više vremena. Međutim, punjenje baterije velikom strujom brzo povećava kapacitet baterije na oko 70%.

Litijum-jonske baterije ne zahtevaju potpuno punjenje, kao što je slučaj sa olovnim uređajima. Štoviše, ova opcija punjenja je nepoželjna za Li-ion. U stvari, najbolje je ne puniti bateriju do kraja jer visoki napon opterećuje bateriju.

Odabirom nižeg praga napona ili potpunog uklanjanja punjenja zasićenja produžit će se vijek trajanja Li-Ion baterije. Istina, ovaj pristup je praćen smanjenjem vremena povrata energije baterije.

Ovdje treba napomenuti: kućni punjači u pravilu rade maksimalnom snagom i ne podržavaju regulaciju struje (napona) punjenja.

Proizvođači litijum-jonskih punjača baterija smatraju dug život manjim problemom nego trošak složenosti kola.

Li-ion punjači baterija

Neki jeftini kućni punjači često koriste pojednostavljenu metodu. Punite litijum-jonsku bateriju jedan sat ili manje, a da ne dođete do zasićenja.

Indikator spremnosti na takvim uređajima svijetli kada baterija dostigne prag napona u prvoj fazi. Stanje napunjenosti u ovom slučaju je oko 85%, što često zadovoljava mnoge korisnike.

Ovaj kućni punjač nudi se za rad s različitim baterijama, uključujući litijum-jonske baterije. Uređaj ima sistem regulacije napona i struje, što je već dobro

Profesionalni punjači (skupi) razlikuju se po tome što snižavaju prag napona punjenja, čime se produžava vijek trajanja litijum-jonske baterije.

U tabeli su prikazane izračunate snage pri punjenju takvih uređaja na različitim naponskim pragovima, sa i bez naboja zasićenja:

Napon punjenja, V/ćeliju	Kapacitet pri visokonaponskom prekidu, %	Vrijeme punjenja, min	Kapacitet pri punom zasićenju,%
3.80	60	120	65
3.90	70	135	75
4.00	75	150	80
4.10	80	165	90
4.20	85	180	100

Čim se litijum-jonska baterija počne puniti, dolazi do brzog porasta napona. Ovo ponašanje je uporedivo sa podizanjem tereta gumenom trakom kada postoji efekat zaostajanja.

Kapacitet će na kraju biti popunjen kada se baterija potpuno napuni. Ova karakteristika punjenja je tipična za sve baterije.

Što je struja punjenja veća, efekat gumene trake je sjajniji. Niska temperatura ili prisustvo ćelije sa visokim unutrašnjim otporom samo pojačavaju efekat.

Struktura litijum-jonske baterije u najjednostavnijem obliku: 1 - negativna bakrena magistrala; 2 - pozitivna guma od aluminijuma; 3 - anoda od kobalt oksida; 4- grafitna katoda; 5 - elektrolit

Procjena stanja napunjenosti očitavanjem napona napunjene baterije nije praktična. Mjerenje napona otvorenog kruga (u praznom hodu) nakon što je baterija stajala nekoliko sati je najbolji pokazatelj procjene.

Kao i kod drugih baterija, temperatura utiče na prazan hod na isti način na koji utiče na aktivni materijal litijum-jonske baterije. , laptopa i drugih uređaja procjenjuje se prebrojavanjem kulona.

Litijum-jonska baterija: prag zasićenja

Litijum-jonska baterija nije sposobna da apsorbuje višak napunjenosti. Stoga, kada je baterija potpuno zasićena, struja punjenja mora se odmah ukloniti.

Napunjenost konstantne struje može dovesti do metalizacije litijumskih ćelija, što narušava princip osiguranja sigurnosti rada takvih baterija.

Da biste sveli na najmanju moguću mjeru stvaranje kvarova, trebali biste isključiti litijum-jonsku bateriju što je prije moguće kada dostigne vrhunac napunjenosti.

Ova baterija se više neće puniti tačno onoliko koliko bi trebala. Zbog nepravilnog punjenja izgubio je svoja glavna svojstva uređaja za skladištenje energije.

Čim se punjenje zaustavi, napon litijum-jonske baterije počinje da opada. Javlja se efekat smanjenja fizičkog stresa.

Neko vrijeme će napon otvorenog kola biti raspoređen između neravnomjerno napunjenih ćelija napona od 3,70 V i 3,90 V.

Ovdje proces također privlači pažnju kada litijum-jonska baterija koja je dobila potpuno zasićeno punjenje počne puniti susjednu (ako je uključena u krug) koja nije dobila punjenje zasićenja.

Kada litijum-jonske baterije treba stalno držati u punjaču kako biste bili sigurni da su spremne, trebali biste se osloniti na punjače koji imaju funkciju kratkotrajnog punjenja blica.

Punjač s funkcijom kratkotrajnog punjenja uključuje se ako napon otvorenog kruga padne na 4,05 V / ch i isključuje se kada napon dostigne 4,20 V / ch.

Punjači dizajnirani za standby ili standby režim često dozvoljavaju da napon baterije padne na 4,00 V/i i pune samo Li-Ion baterije do 4,05 V/i bez dostizanja punih 4,20 V/i.

Ova tehnika smanjuje fizički napon svojstven tehničkom naponu i pomaže da se produži vijek trajanja baterije.

Punjenje baterija bez kobalta

Tradicionalne baterije imaju nominalni napon ćelije od 3,60 volti. Međutim, za uređaje koji ne sadrže kobalt vrijednost je drugačija.

Dakle, litijum-fosfatne baterije imaju napon od 3,20 volti (napon punjenja 3,65 V). A nove litijum-titanatne baterije (proizvedene u Rusiji) imaju nominalni napon ćelije od 2,40 V (punjač 2,85).

Litijum fosfatne baterije su uređaji za skladištenje energije koji ne sadrže kobalt u svojoj strukturi. Ova činjenica donekle mijenja uslove za punjenje ovakvih baterija.

Za takve baterije tradicionalni punjači nisu prikladni, jer preopterećuju bateriju prijetnjom eksplozije. Suprotno tome, sistem punjenja za baterije bez kobalta neće osigurati dovoljno napunjenosti za tradicionalnu Li-Ion bateriju od 3,60 V.

Prekomjerno napunjenost litijum-jonske baterije

Litijum-jonska baterija radi bezbedno unutar specificiranih radnih napona. Međutim, performanse baterije postaju nestabilne ako se napuni preko svojih radnih granica.

Dugotrajno punjenje litijum-jonske baterije napona iznad 4,30V, dizajnirane za radni napon od 4,20V, ispunjeno je litijumskim pokrivanjem anode.

Katodni materijal, zauzvrat, poprima svojstva oksidacijskog sredstva, gubi stabilnost stanja i oslobađa ugljični dioksid.

Pritisak ćelije baterije raste i ako se punjenje nastavi, interni zaštitni uređaj će se aktivirati pri pritisku između 1000 kPa i 3180 kPa.

Ako se porast pritiska nastavi i nakon toga, zaštitna membrana se otvara na nivou pritiska od 3.450 kPa. U ovom stanju, ćelija litijum-jonske baterije je na ivici da eksplodira, i na kraju se upravo to dešava.

Struktura: 1 - gornji poklopac; 2 - gornji izolator; 3 - čelična limenka; 4 - donji izolator; 5 - anodni jezičak; 6 - katoda; 7 - separator; 8 - anoda; 9 - katodni jezičak; 10 - ventilacioni otvor; 11 - PTC; 12 - brtva

Aktiviranje zaštite unutar litijum-jonske baterije je zbog povećanja temperature unutrašnjeg sadržaja. Potpuno napunjena baterija ima višu unutrašnju temperaturu od djelomično napunjene baterije.

Stoga se litijum-jonske baterije smatraju sigurnijim pod uslovima niskog nivoa punjenja. Zbog toga vlasti nekih zemalja zahtijevaju korištenje Li-ion baterija u avionima, zasićenih energijom ne većom od 30% njihovog punog kapaciteta.

Prag unutrašnje temperature baterije pri punom opterećenju je:

• 130-150°C (za litijum-kobalt);
• 170-180°C (za nikl-mangan-kobalt);
• 230-250°C (za litijum-mangan).

Treba napomenuti da litijum-fosfatne baterije imaju bolju temperaturnu stabilnost od litijum-manganskih baterija. Litijum-jonske baterije nisu jedine koje predstavljaju opasnost u uslovima energetskog preopterećenja.

Na primjer, olovno-nikl baterije su također sklone topljenju i požaru ako se energetsko zasićenje vrši kršenjem pasoškog režima.

Stoga je upotreba punjača koji su idealno prilagođeni bateriji od najveće važnosti za sve litijum-jonske baterije.

Neki zaključci iz analize

Punjenje litijum-jonskih baterija karakteriše pojednostavljena metoda u poređenju sa sistemima od nikla. Krug punjenja je jednostavan, s ograničenjima napona i struje.

Takvo kolo je mnogo jednostavnije od kola koje analizira složene naponske potpise koji se mijenjaju kako se baterija koristi.

Proces napajanja litijum-jonskih baterija je neprekidan; ove baterije ne moraju biti potpuno zasićene, kao što je slučaj sa olovno-kiselinskim baterijama.

Kontrolni krug za litijum-jonske baterije male snage. Jednostavno rješenje i minimum detalja. Ali shema ne pruža uvjete ciklusa koji održavaju dug vijek trajanja.

Svojstva litijum-jonskih baterija obećavaju prednosti u radu obnovljivih izvora energije (solarni paneli i vetroturbine). U pravilu vjetrogenerator rijetko osigurava potpuno punjenje baterije.

Za litijum-jonske, nedostatak stabilnih zahteva za punjenje pojednostavljuje krug kontrolera punjenja. Litijum-jonska baterija ne zahteva kontroler koji izjednačava napon i struju, kao što je potrebno za olovne baterije.

Svi kućni i većina industrijskih litijum-jonskih punjača potpuno pune bateriju. Međutim, postojeći punjači litijum-jonskih baterija uglavnom ne pružaju regulaciju napona na kraju ciklusa.