لیتیوم یون و باتری های لیتیوم پلیمری

تفکر مهندسی دائماً در حال تکامل است: با مشکلاتی که دائماً در حال ظهور هستند تحریک می شود که برای حل آنها نیاز به توسعه فناوری های جدید است. زمانی باتری‌های نیکل-کادمیم (NiCd) با نیکل-فلز هیدرید (NiMH) جایگزین شدند و اکنون باتری‌های لیتیوم یونی (Li-ion) در تلاش هستند جای باتری‌های لیتیوم یون (Li-ion) را بگیرند. باتری های NiMHتا حدودی جایگزین NiCd شد، اما به دلیل مزایای غیرقابل انکار دومی مانند توانایی دادن جریان بالا, کم هزینهو عمر طولانی، نمی تواند جایگزینی کامل آنها را تضمین کند. اما در مورد باتری های لیتیومی چطور؟ ویژگی های آنها چیست و باتری های Li-pol چه تفاوتی با Li-ion دارند؟ بیایید سعی کنیم این موضوع را درک کنیم.

به عنوان یک قاعده، هنگام خرید یک تلفن همراه یا رایانه لپ‌تاپ، همه ما به این فکر نمی‌کنیم که چه نوع باتری داخل آن است و به طور کلی این دستگاه‌ها چگونه متفاوت هستند. و تنها پس از آن، با برخورد عملی با کیفیت مصرف کننده باتری های خاص، شروع به تجزیه و تحلیل و انتخاب می کنیم. برای کسانی که عجله دارند و می خواهند فوراً به این سؤال پاسخ دهند که کدام باتری برای تلفن همراه بهینه است ، به طور خلاصه پاسخ خواهم داد - Li-ion. اطلاعات زیر برای افراد کنجکاو در نظر گرفته شده است.

اول، یک گشت کوتاه در تاریخ.

اولین آزمایش‌ها بر روی ایجاد باتری‌های لیتیومی در سال 1912 آغاز شد، اما تنها شش دهه بعد، در اوایل دهه 70، آنها برای اولین بار وارد شدند. دستگاه های خانگی. علاوه بر این، اجازه دهید تاکید کنم، اینها فقط باتری بودند. تلاش های بعدی برای ساخت باتری های لیتیومی (باتری های قابل شارژ) به دلیل نگرانی های ایمنی شکست خورد. لیتیوم، سبک ترین فلز، دارای بیشترین پتانسیل الکتروشیمیایی است و بیشترین چگالی انرژی را فراهم می کند. باتری هایی که از الکترودهای فلزی لیتیوم استفاده می کنند، هم ولتاژ بالا و هم ظرفیت عالی را ارائه می دهند. اما در نتیجه مطالعات متعدد در دهه 80 مشخص شد که کار چرخه ای (شارژ - تخلیه) باتری های لیتیومیمنجر به تغییراتی در الکترود لیتیوم می شود که در نتیجه پایداری حرارتی کاهش می یابد و خطر خارج شدن حالت حرارتی از کنترل وجود دارد. هنگامی که این اتفاق می افتد، دمای عنصر به سرعت به نقطه ذوب لیتیوم نزدیک می شود - و یک واکنش شدید شروع می شود و گازهای آزاد شده را مشتعل می کند. مثلا، تعداد زیادی ازباتری های لیتیومی برای تلفن های همراه، که در سال 1991 به ژاپن تحویل داده شد، پس از چندین حادثه آتش سوزی فراخوان شد.

به دلیل ناپایداری ذاتی لیتیوم، محققان توجه خود را به باتری های لیتیومی غیرفلزی مبتنی بر یون های لیتیوم معطوف کرده اند. با از دست دادن اندکی چگالی انرژی و رعایت برخی اقدامات احتیاطی هنگام شارژ و دشارژ کردن، باتری‌های به اصطلاح Li-ion ایمن‌تری دریافت کردند.

چگالی انرژی باتری های Li-ion معمولاً دو برابر باتری های NiCd استاندارد است و در آینده به لطف استفاده از باتری های جدید مواد فعالانتظار می رود که آن را حتی بیشتر افزایش دهد و به برتری سه برابری نسبت به NiCd دست یابد. علاوه بر ظرفیت زیاد، باتری‌های لیتیوم یونی در هنگام دشارژ مانند NiCds رفتار می‌کنند (مشخصات تخلیه آنها از نظر شکل مشابه است و فقط از نظر ولتاژ متفاوت است).

امروزه انواع مختلفی از باتری های لیتیوم یونی وجود دارد و شما می توانید برای مدت طولانی در مورد مزایا و معایب یک نوع یا دیگری صحبت کنید، اما تشخیص آنها از نظر ظاهر غیرممکن است. بنابراین، ما فقط مزایا و معایبی را که مشخصه انواع این دستگاه ها است، یادداشت می کنیم و دلایلی را که منجر به تولد باتری های لیتیوم پلیمری شده است، در نظر می گیریم.

مزایای اصلی

• چگالی انرژی بالا و در نتیجه ظرفیت زیاد با ابعاد مشابه در مقایسه با باتری های پایه نیکل.
• خود تخلیه کم.
• ولتاژ بالای یک سلول (3.6 ولت در مقابل 1.2 ولت برای NiCd و NiMH)، که طراحی را ساده می کند - اغلب باتری فقط از یک سلول تشکیل شده است. امروزه بسیاری از سازندگان از چنین باتری تک سلولی در تلفن های همراه استفاده می کنند (نوکیا را به یاد داشته باشید). با این حال، برای تامین توان یکسان، جریان بالاتری باید تامین شود. و این مستلزم تضمین کم است مقاومت داخلیعنصر
• هزینه های کم نگهداری (عملیاتی) ناشی از فقدان اثر حافظه است که نیاز به چرخه های تخلیه دوره ای برای بازیابی ظرفیت دارد.

ایرادات

فناوری تولید باتری لیتیوم یونی به طور مداوم در حال بهبود است. تقریباً هر شش ماه یکبار به‌روزرسانی می‌شود و درک اینکه باتری‌های جدید پس از ذخیره‌سازی طولانی‌مدت چگونه "رفتار" می‌کنند دشوار است.

در یک کلام، یک باتری لیتیوم یونی برای همه خوب خواهد بود، اگر به خاطر مشکلات مربوط به اطمینان از ایمنی عملکرد و عملکرد آن نباشد. قیمت بالا. تلاش برای حل این مشکلات منجر به ظهور باتری های لیتیوم پلیمر (Li-pol یا Li-polymer) شد.

تفاوت اصلی آنها با Li-ion در نام و نوع الکترولیت مورد استفاده منعکس می شود. در ابتدا، در دهه 70، از یک الکترولیت پلیمری جامد خشک استفاده شد، شبیه به فیلم پلاستیکی و رسانای الکتریسیته نبود، اما اجازه تبادل یون‌ها (اتم‌های باردار الکتریکی یا گروه‌هایی از اتم‌ها) را می‌داد. الکترولیت پلیمری به طور موثر جایگزین جداکننده متخلخل سنتی آغشته به الکترولیت می شود.

این طراحی فرآیند تولید را ساده می کند، ایمن تر است و امکان تولید باتری های نازک و آزاد را فراهم می کند. علاوه بر این، عدم وجود الکترولیت مایع یا ژل، امکان اشتعال را از بین می برد. ضخامت عنصر حدود یک میلی متر است، بنابراین توسعه دهندگان تجهیزات در انتخاب شکل، شکل و اندازه آزادند، حتی از جمله اجرای آن در قطعات لباس.

اما تا کنون، متأسفانه، باتری های لیتیوم پلیمری خشک، هدایت الکتریکی کافی در دمای اتاق ندارند. مقاومت داخلی آنها بسیار زیاد است و نمی تواند مقدار جریان مورد نیاز برای ارتباطات مدرن و منابع تغذیه را تامین کند. دیسکهای سختکامپیوترهای لپ تاپ در عین حال، هنگامی که تا 60 درجه سانتیگراد یا بیشتر گرم می شود، رسانایی الکتریکی لیتیوم پلیمر تا حد قابل قبولی افزایش می یابد، اما این برای استفاده انبوه مناسب نیست.

محققان به ساخت باتری های لیتیوم پلیمری با الکترولیت جامد خشک که در دمای اتاق کار می کند ادامه می دهند. انتظار می رود چنین باتری هایی تا سال 2005 به صورت تجاری در دسترس قرار گیرند. آنها پایدار خواهند بود، اجازه 1000 چرخه شارژ-دشارژ کامل را می دهند و چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری های Li-ion امروزی دارند.

در همین حال، برخی از انواع باتری های لیتیوم پلیمری اکنون به عنوان منبع تغذیه پشتیبان در آب و هوای گرم استفاده می شوند. به عنوان مثال، برخی از تولید کنندگان به طور خاص عناصر گرمایشی را نصب می کنند که دمای مطلوب باتری را حفظ می کند.

ممکن است بپرسید: چگونه ممکن است؟ باتری های لیتیوم پلیمری به طور گسترده در بازار به فروش می رسند، سازندگان گوشی ها و رایانه ها را به آنها مجهز می کنند، اما در اینجا می گوییم که هنوز برای استفاده تجاری آماده نیستند. همه چیز بسیار ساده است. که در در این مورد ما در مورددر مورد باتری هایی که دارای الکترولیت جامد خشک نیستند. به منظور افزایش هدایت الکتریکی باتری های لیتیوم پلیمری کوچک، مقدار مشخصی الکترولیت ژل مانند به آنها اضافه می شود. و بیشتر باتری‌های لیتیوم پلیمری که امروزه برای تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند، در واقع هیبریدی هستند، زیرا حاوی الکترولیت ژل مانند هستند. درست تر است که آنها را پلیمر لیتیوم-یون بنامیم. اما اکثر تولید کنندگان به سادگی آنها را به عنوان Li-polymer برای اهداف تبلیغاتی برچسب گذاری می کنند. بیایید با جزئیات بیشتری در مورد این نوع باتری های لیتیوم پلیمری صحبت کنیم، زیرا این لحظهآنها کسانی هستند که بیشترین علاقه را دارند.

بنابراین، تفاوت بین باتری لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر با الکترولیت ژل اضافه شده چیست؟ اگرچه ویژگی ها و کارایی هر دو سیستم تا حد زیادی مشابه است، منحصر به فرد بودن باتری پلیمر لیتیوم یون (می توانید آن را به این نام بنامید) این است که هنوز از یک الکترولیت جامد استفاده می کند که جایگزین جداکننده متخلخل می شود. الکترولیت ژل فقط برای افزایش هدایت یونی اضافه می شود.

مشکلات فنی و تاخیر در افزایش تولید، معرفی باتری های پلیمری لیتیوم یون را به تاخیر انداخته است. به گفته برخی کارشناسان، این امر ناشی از تمایل سرمایه‌گذارانی است که پول زیادی را در توسعه و تولید انبوه باتری‌های لیتیوم یون سرمایه‌گذاری کرده‌اند تا سرمایه‌گذاری‌های خود را پس بگیرند. بنابراین ، آنها عجله ای برای روی آوردن به فناوری های جدید ندارند ، اگرچه با تولید انبوه باتری های پلیمری لیتیوم یون ارزان تر از باتری های لیتیوم یون خواهد بود.

و اکنون در مورد ویژگی های عملکرد باتری های Li-ion و Li-polymer.

ویژگی های اصلی آنها بسیار شبیه است. در باره شارژ لیتیوم یونباتری ها با جزئیات کافی در مقاله توضیح داده شده است. علاوه بر این، من فقط یک نمودار (شکل 1) از، نشان دادن مراحل شارژ، و توضیحات کوچک برای آن ارائه خواهم کرد.

مدت زمان شارژ برای تمام باتری های لیتیوم یون با جریان شارژ اولیه 1C (از لحاظ عددی برابر با مقدار اسمی ظرفیت باتری) به طور متوسط ​​3 ساعت است. شارژ کامل زمانی حاصل می شود که ولتاژ باتری برابر با آستانه بالایی باشد و زمانی که جریان شارژ به سطح تقریباً برابر با 3٪ کاهش یابد. مقدار اولیه. باتری در هنگام شارژ سرد می ماند. همانطور که از نمودار مشخص است، فرآیند شارژ شامل دو مرحله است. در مرحله اول (کمی بیش از یک ساعت)، ولتاژ با جریان شارژ اولیه تقریباً ثابت 1 درجه سانتیگراد افزایش می یابد تا زمانی که ابتدا به آستانه ولتاژ بالایی برسد. در این مرحله باتری تقریباً 70 درصد ظرفیت خود شارژ می شود. در ابتدای مرحله دوم ولتاژ تقریبا ثابت می ماند و جریان کاهش می یابد تا به 3 درصد بالا برسد. پس از این، شارژ به طور کامل متوقف می شود.

اگر نیاز دارید که باتری را همیشه شارژ نگه دارید، توصیه می شود بعد از 500 ساعت یا 20 روز دوباره شارژ کنید. معمولاً زمانی انجام می شود که ولتاژ در پایانه های باتری به 4.05 ولت کاهش می یابد و زمانی که ولتاژ به 4.2 ولت می رسد متوقف می شود.

چند کلمه در مورد محدوده دما در هنگام شارژ. اکثر انواع باتری های لیتیوم یونی را می توان با جریان 1 درجه سانتی گراد در دمای 5 تا 45 درجه سانتی گراد شارژ کرد. در دمای 0 تا 5 درجه سانتی گراد، توصیه می شود با جریان 0.1 درجه سانتی گراد شارژ شود. شارژ در دمای زیر صفر ممنوع است. دمای مطلوب برای شارژ 15 تا 25 درجه سانتیگراد است.

فرآیندهای شارژ در باتری های لیتیوم پلیمریتقریباً مشابه مواردی است که در بالا توضیح داده شد، بنابراین مصرف کننده مطلقاً نیازی به دانستن اینکه کدام یک از دو نوع باتری را در دست دارد، ندارد. و همه اونها دستگاه شارژ، که او برای باتری های Li-ion استفاده کرد، برای لیتیوم پلیمر مناسب هستند.

و حالا در مورد شرایط ترخیص. به طور معمول، باتری های لیتیوم یونی تا مقدار 3.0 ولت در هر سلول تخلیه می شوند، اگرچه برای برخی از انواع آستانه پایین تر 2.5 ولت است. سازندگان تجهیزات باتری دار معمولاً دستگاه هایی با آستانه خاموش شدن 3.0 ولت (برای همه موارد) طراحی می کنند. این یعنی چی؟ ولتاژ باتری با روشن شدن گوشی به تدریج کاهش می یابد و به محض اینکه به 3.0 ولت رسید دستگاه به شما هشدار داده و خاموش می شود. با این حال، این بدان معنا نیست که مصرف انرژی باتری را متوقف کرده است. انرژی، هرچند کم، برای تشخیص زمان فشار دادن کلید پاور گوشی و برخی عملکردهای دیگر مورد نیاز است. علاوه بر این، انرژی توسط مدار کنترل داخلی و حفاظتی خود مصرف می شود و تخلیه خود به خود، اگرچه کم است، اما حتی برای باتری های لیتیومی نیز معمول است. در نتیجه، اگر باتری های لیتیومی برای مدت طولانی بدون شارژ باقی بمانند، ولتاژ روی آنها به زیر 2.5 ولت می رسد که بسیار بد است. در این حالت، مدار کنترل داخلی و حفاظت ممکن است غیرفعال شود و همه شارژرها قادر به شارژ چنین باتری هایی نباشند. علاوه بر این، ترشحات عمیق اثر منفی بر ساختار داخلیخود باتری یک باتری کاملاً تخلیه شده باید در مرحله اول با جریان تنها 0.1 درجه سانتیگراد شارژ شود. به طور خلاصه، باتری ها دوست دارند در حالت شارژ باشند تا در حالت دشارژ.

چند کلمه در مورد شرایط دمایی هنگام تخلیه (در حین کار بخوانید).

به طور کلی، باتری های لیتیوم یون در دمای اتاق بهترین عملکرد را دارند. کار در شرایط گرمتر به طور جدی طول عمر آنها را کاهش می دهد. اگر چه، برای مثال، یک باتری سرب اسیدی بالاترین ظرفیت را در دمای بالای 30 درجه سانتیگراد دارد، کارکرد طولانی مدت در چنین شرایطی عمر باتری را کوتاه می کند. به همین ترتیب، لیتیوم یون در دماهای بالا عملکرد بهتری دارد، که در ابتدا با افزایش مقاومت داخلی باتری که در نتیجه پیری ایجاد می شود، مقابله می کند. اما افزایش تولید انرژی کوتاه مدت است، زیرا افزایش دما به نوبه خود باعث افزایش سرعت پیری می شود که با افزایش بیشتر مقاومت داخلی همراه است.

تنها استثنا در حال حاضر باتری های لیتیوم پلیمری با الکترولیت پلیمری جامد خشک هستند. آنها به دمای حیاتی 60 تا 100 درجه سانتیگراد نیاز دارند. و چنین باتری هایی جایگاه خود را در بازار منابع پشتیبان در آب و هوای گرم پیدا کرده اند. آنها در یک محفظه عایق حرارتی با عناصر گرمایش داخلی که از یک شبکه خارجی تغذیه می شوند، قرار می گیرند. باتری های لیتیوم یون پلیمری به عنوان باتری های پشتیبان از نظر ظرفیت و دوام برتر از باتری های VRLA هستند، به ویژه در شرایط میدانیزمانی که کنترل دما امکان پذیر نیست. اما آنها قیمت بالایک عامل محدود کننده باقی می ماند.

در دماهای پایین، راندمان باتری های تمام سیستم های الکتروشیمیایی به شدت کاهش می یابد. در حالی که باتری های NiMH، SLA و Li-ion در دمای -20 درجه سانتیگراد کار نمی کنند، باتری های NiCd تا دمای -40 درجه سانتیگراد به کار خود ادامه می دهند. اجازه دهید فقط توجه داشته باشم که دوباره ما فقط در مورد باتری های با کاربرد گسترده صحبت می کنیم.

مهم است به خاطر داشته باشید که اگرچه باتری می تواند در دمای پایین کار کند، اما این بدان معنا نیست که در این شرایط نیز می توان آن را شارژ کرد. پاسخگویی شارژ اکثر باتری ها در دمای بسیار پایین بسیار محدود است و جریان شارژ در این موارد باید به 0.1 درجه سانتیگراد کاهش یابد.

در خاتمه، می‌خواهم متذکر شوم که می‌توانید در فروم زیر انجمن لوازم جانبی، سؤالات و مشکلات مربوط به لیتیوم یون، لیتیوم پلیمر و همچنین انواع دیگر باتری‌ها را مطرح کنید.

هنگام نوشتن این مقاله، از مواد [—باتری برای دستگاه های تلفن همراه و رایانه های لپ تاپ استفاده شد. آنالایزرهای باتری

لیتیوم- باتری های یونینه به اندازه همتایان نیکل-فلز هیدرید آنها "گزنده"، اما هنوز هم نیاز به مراقبت دارند. چسبیدن به پنج قوانین ساده ، شما نه تنها می توانید تمدید کنید چرخه زندگیلیتیوم یون باتری ها، بلکه زمان کار دستگاه های تلفن همراه را بدون شارژ مجدد افزایش دهید.

اجازه تخلیه کامل ندهید. U باتری های لیتیوم یونیهیچ به اصطلاح اثر حافظه وجود ندارد، بنابراین آنها می توانند و علاوه بر این، بدون انتظار برای تخلیه به صفر شارژ شوند. بسیاری از سازندگان عمر باتری لیتیوم یونی را با تعداد چرخه های تخلیه کامل (تا 0٪) محاسبه می کنند. برای باتری های با کیفیتاین 400-600 سیکل. برای افزایش عمر باتری لیتیوم یونی خود، تلفن خود را بیشتر شارژ کنید. در حالت بهینه، به محض اینکه شارژ باتری به زیر 10-20 درصد رسید، می توانید گوشی را شارژ کنید. این باعث افزایش تعداد چرخه های تخلیه به 1000-1100 .
کارشناسان این فرآیند را با شاخصی مانند Depth Of Discharge توصیف می کنند. اگر گوشی شما تا 20 درصد دشارژ شده باشد، عمق دشارژ 80 درصد است. جدول زیر وابستگی تعداد چرخه های دشارژ یک باتری لیتیوم یونی به عمق دشارژ را نشان می دهد:

هر 3 ماه یکبار ترخیص کنید.شارژ کامل برای مدت طولانی به همان اندازه برای باتری های لیتیوم یون مضر است که دشارژ دائمی آن به صفر می رسد.
به دلیل فرآیند شارژ بسیار ناپایدار (ما اغلب گوشی را در صورت لزوم و در صورت امکان از USB، از پریز، از باتری خارجیکارشناسان توصیه می کنند هر 3 ماه یک بار باتری را کاملاً تخلیه کنید و سپس آن را تا 100 درصد شارژ کنید و 8 تا 12 ساعت شارژ نگه دارید. این به بازنشانی به اصطلاح پرچم های باتری کم و زیاد کمک می کند. می توانید در این مورد بیشتر بخوانید.

فروشگاه با شارژ جزئی. شرایط بهینه برای نگهداری طولانی مدت باتری لیتیوم یونی بین 30 تا 50 درصد شارژ در دمای 15 درجه سانتی گراد است. اگر باتری را به طور کامل شارژ کنید، ظرفیت آن در طول زمان به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. و در اینجا باتری است که برای مدت طولانیگرد و غبار را روی قفسه جمع می کرد، به صفر تخلیه می شد، به احتمال زیاد دیگر زنده نیست - وقت آن است که آن را برای بازیافت بفرستید.
جدول زیر نشان می‌دهد که باتری لیتیوم یونی بسته به دمای ذخیره‌سازی و میزان شارژ در زمانی که به مدت ۱ سال نگهداری می‌شود، چقدر ظرفیت باقی می‌ماند.

از شارژر اصلی استفاده کنید.تعداد کمی از مردم می دانند که شارژر در اکثر موارد مستقیماً در دستگاه های تلفن همراه و خارجی ساخته می شود آداپتور شبکهاین فقط ولتاژ را کاهش می دهد و جریان شبکه برق خانگی را اصلاح می کند ، یعنی مستقیماً روی باتری تأثیر نمی گذارد. برخی از ابزارها، به عنوان مثال دوربین های دیجیتال، شارژر داخلی ندارند و بنابراین باتری های لیتیوم یون آنها در یک "شارژر" خارجی قرار می گیرند. اینجاست که استفاده از یک شارژر خارجی با کیفیت مشکوک به جای شارژر اصلی می تواند بر عملکرد باتری تأثیر منفی بگذارد.

از گرمای بیش از حد خودداری کنید.خب، بدترین دشمن باتری های لیتیوم یون دمای بالا است - آنها مطلقا نمی توانند گرمای بیش از حد را تحمل کنند. بنابراین، دستگاه های تلفن همراه خود را در معرض نور مستقیم خورشید قرار ندهید و آنها را در نزدیکی منابع گرما مانند بخاری برقی قرار ندهید. بیشترین دماهای مجاز، که در آن امکان استفاده از باتری های لیتیوم یون وجود دارد: از -40 درجه سانتیگراد تا +50 درجه سانتیگراد

همچنین، می توانید نگاه کنید

که در خانه های مدرن رایج است تکنولوژی الکترونیکیو به عنوان منبع انرژی در وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی در سیستم های انرژی کاربرد دارد. این بیشترین است نوع محبوبباتری در دستگاه هایی مانند تلفن همراه، لپ تاپ، وسایل نقلیه الکتریکی، دوربین های دیجیتال و دوربین های فیلمبرداری. اولین باتری لیتیوم یونی توسط سونی در سال 1991 عرضه شد.

مشخصات

بسته به مدار الکتروشیمیایی، باتری های لیتیوم یون ویژگی های زیر را نشان می دهند:

• ولتاژ یک عنصر 3.6 ولت است.
• حداکثر ولتاژ 4.2 V، حداقل 2.5-3.0 V. دستگاه های شارژ ولتاژ را در محدوده 4.05-4.2 V پشتیبانی می کنند
• چگالی انرژی: 110 … 230 W*h/kg
• مقاومت داخلی: 5 ... 15 mOhm/1Ah
• تعداد چرخه های شارژ/دشارژ تا زمانی که 20 درصد ظرفیت از بین برود: 1000-5000
• زمان شارژ سریع: 15 دقیقه - 1 ساعت
• خود تخلیه در دمای اتاق: 3% در ماه
• جریان بار نسبت به ظرفیت (C):
  • ثابت - تا 65 درجه سانتیگراد، پالس - تا 500 درجه سانتیگراد
  • قابل قبول ترین: تا 1C
• محدوده دمای عملیاتی: -0 ... +60 درجه سانتیگراد (در دمای زیر صفر، شارژ باتری ها امکان پذیر نیست)

دستگاه

یک باتری لیتیوم یونی شامل الکترودهایی (مواد کاتد روی فویل آلومینیوم و مواد آند روی فویل مس) است که توسط جداکننده‌های متخلخل آغشته به الکترولیت از هم جدا شده‌اند. بسته الکترود در یک محفظه مهر و موم شده قرار می گیرد، کاتدها و آندها به پایانه های کلکتور جریان متصل می شوند. محفظه دارای یک شیر اطمینان است که فشار داخلی را کاهش می دهد موقعیت های اضطراریو نقض شرایط عملیاتی باتری های لیتیوم یونی از نظر نوع مواد کاتدی مورد استفاده متفاوت هستند. حامل جریان در یک باتری لیتیوم یونی یک یون لیتیوم با بار مثبت است که این قابلیت را دارد که به درون شبکه کریستالی مواد دیگر (به عنوان مثال، گرافیت، اکسیدهای فلزی و نمک) نفوذ کند (میانگین) و یک پیوند شیمیایی ایجاد کند. به عنوان مثال: به گرافیت با تشکیل LiC6، اکسید (LiMO 2) و نمک (LiM R O N) فلزات. در ابتدا از فلز لیتیوم به عنوان صفحات منفی و سپس از زغال سنگ استفاده می شد. بعداً گرافیت شروع به استفاده کرد. تا همین اواخر، اکسیدهای لیتیوم با کبالت یا منگنز به عنوان صفحات مثبت استفاده می شد، اما به طور فزاینده ای با لیتیوم فرو فسفات جایگزین می شوند، که ثابت کرده اند ایمن، ارزان و غیرسمی هستند و می توانند با خیال راحت بازیافت شوند. محیط. باتری های لیتیوم یون همراه با یک سیستم نظارت و کنترل - SKU یا BMS (باتری) استفاده می شود. سیستم مدیریت) و یک دستگاه شارژ/تخلیه ویژه. در حال حاضر در تولید انبوه باتری‌های لیتیوم یونی از سه دسته مواد کاتدی استفاده می‌شود: - لیتیوم کبالتات LiCoO 2 و محلول‌های جامد مبتنی بر لیتیوم نیکلات هم‌ساختاری آن - لیتیوم منگنز اسپینل LiMn 2 O 4 - لیتیوم فرو فسفات LiFePO 4. مدارهای الکتروشیمیایی باتری های لیتیوم یون: لیتیوم-کبالت LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 لیتیوم-فروفسفات LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

با توجه به خود تخلیه کم و تعداد زیادی چرخه شارژ-دشارژ، باتری های لیتیوم یونی برای استفاده در انرژی های جایگزین ترجیح داده می شوند. علاوه بر این، آنها علاوه بر سیستم BMS (SKU)، به اینورتر (مبدل ولتاژ) مجهز هستند.

مزایای

• چگالی انرژی بالا.
• خود تخلیه کم.
• بدون اثر حافظه
• بدون نیاز به نگهداری

ایرادات

نسل اول باتری های لیتیوم یونی در معرض اثرات انفجاری قرار گرفتند. این با این واقعیت توضیح داده شد که آنها از یک آند فلزی لیتیوم استفاده کردند که در طی چرخه های شارژ / تخلیه چندگانه، تشکیلات فضایی (دندریت ها) بوجود آمدند که منجر به اتصال کوتاه الکترودها و در نتیجه آتش سوزی یا انفجار شد. این مشکل در نهایت با جایگزینی ماده آند با گرافیت حل شد. فرآیندهای مشابهی در کاتدهای باتری‌های لیتیوم یون مبتنی بر اکسید کبالت هنگام نقض شرایط عملیاتی (شارژ بیش از حد) رخ داد. باتری های لیتیوم فرو فسفات کاملاً عاری از این معایب هستند. علاوه بر این، تمام باتری های لیتیوم یون مدرن دارای یک داخلی هستند مدار الکترونیکی، که از شارژ بیش از حد و گرم شدن بیش از حد به دلیل شارژ بیش از حد شدید جلوگیری می کند.

باتری‌های لیتیوم یونی ممکن است در مقایسه با انواع دیگر باتری‌ها، چرخه عمر کوتاه‌تری داشته باشند که به‌طور کنترل نشده تخلیه شوند. باتری‌های لیتیوم یون وقتی کاملاً خالی می‌شوند، توانایی شارژ شدن را از دست می‌دهند ولتاژ شارژ. این مشکل را می توان با اعمال یک پالس ولتاژ بالاتر حل کرد، اما این امر بر عملکرد بیشتر باتری های لیتیوم یون تأثیر منفی می گذارد. حداکثر مدت"عمر" باتری لیتیوم یون با محدود کردن شارژ از بالا به 95٪ و دشارژ به 15-20٪ به دست می آید. این حالت عملیاتی توسط سیستم نظارت و کنترل BMS (SKU) پشتیبانی می شود که با هر باتری لیتیوم یونی همراه است.

شرایط ذخیره سازی بهینه برای باتری های لیتیوم یون زمانی حاصل می شود که در سطح 40 تا 70 درصد ظرفیت باتری و در دمای حدود 5 درجه سانتی گراد شارژ شوند. که در آن دمای پایینبیشتر است عامل مهمبرای تلفات ظرفیت کم در ذخیره سازی طولانی مدت. میانگین عمر مفید (سرویس) یک باتری لیتیوم یونی به طور متوسط ​​36 ماه است، اگرچه می تواند بین 24 تا 60 ماه باشد.

از دست دادن ظرفیت در حین ذخیره سازی:

با توجه به تمام مقررات فعلی برای ذخیره سازی و عملکرد باتری های لیتیوم یون، برای اطمینان از ذخیره سازی طولانی مدت، لازم است آنها را تا 70 درصد ظرفیت هر 6 تا 9 ماه یک بار شارژ کنید.

همچنین ببینید

یادداشت

ادبیات

• باتری های Khrustalev D. A. م: ایزومرود، ۱۳۸۲.
• یوری فیلیپوفسکیغذای سیار. قسمت 2. (RU). ComputerLab (26 مه 2009). - مقاله مفصل در مورد باتری های لیتیوم یونی.. بازیابی شده در 26 مه 2009.

پیوندها

• GOST 15596-82 شرایط و تعاریف.
• GOST 61960-2007 باتری های قابل شارژ و باتری های لیتیومی
• باتری های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر. iXBT (2001)
• باتری های لیتیوم یون داخلی

مدرن ترین لوازم برقیمانند لپ‌تاپ، تلفن یا پخش‌کننده، مجهز به باتری‌های لیتیوم یونی هستند که به عنوان منابع انرژی مستقل عمل می‌کنند. داده ها باتری های یونینسبتاً اخیراً توسعه یافته اند، اما به دلیل ویژگی های آنها محبوبیت زیادی در بین طراحان و سازندگان ابزارها به دست آورده اند. در حال حاضر، علاوه بر انواع مختلف لوازم خانگی، بسیاری از ابزارهای تکمیل و تعمیر، پیچ گوشتی یا دستگاه های برش به چنین منابع تغذیه مجهز هستند. در این مقاله انواع باتری‌های لیتیوم یونی، دامنه کاربرد و اصول عملکرد آن‌ها بحث می‌شود.

انواع باتری های لیتیوم یونی

باتری های قابل شارژ، که بر اساس اصل ذخیره انرژی و توزیع آن به یک دستگاه مصرف شده کار می کنند، در انواع مختلفی وجود دارند که می توانند در یک لیتیوم ترکیب شوند. بلوک یونی. این باتری ها عبارتند از:

1. باتری لیتیوم کبالت. چنین دستگاهی از یک آند گرافیت و یک کاتد ساخته شده از اکسید کبالت تشکیل شده است. کاتد دارای ساختار صفحه ای با شکاف های بین قطعات است، بنابراین زمانی که برق مصرف می شود، یون های لیتیوم از آند به صفحات عرضه می شود، یک واکنش الکترومغناطیسی رخ می دهد و ولتاژ به پایانه ها اعمال می شود. نقطه ضعف چنین سیستمی مقاومت ضعیف مکانیزم در برابر تغییرات دما است، زیرا در دماهای منفی باتری تخلیه می شود، حتی اگر به مصرف کننده متصل نباشد. هنگام شارژ مجدد محصول، جهت جریان تغییر می کند و یون های لیتیوم از طریق کاتدها به آندها می ریزند، تجمع می یابند و ولتاژ افزایش می یابد. اتصال شارژر به باتری که ولتاژ نامی آن بالاتر از قطعه است اکیداً ممنوع است، در غیر این صورت ممکن است باتری بیش از حد گرم شود، صفحات ذوب شوند و کیس ترک بخورد.
2. باتری لیتیوم منگنز. همچنین برای باتری های لیتیوم یونی اعمال می شود، محیط کارکه از اسپینل منگنز به صورت تونل های متقاطع سه بعدی ساخته شده اند. برخلاف سیستم کبالت، این نوع پایه عبور بدون مانع یون های لیتیوم از آند به کاتد و سپس به کنتاکت های دستگاه را تضمین می کند. مزیت اصلی باتری لیتیوم یون منگنز مقاومت کم مواد است، بنابراین چنین باتری هایی اغلب برای وسایل نقلیه هیبریدی، ابزارهایی که مقدار زیادی جریان مصرف می کنند یا در تجهیزات پزشکی که به طور مستقل کار می کنند استفاده می شود. اجازه گرم شدن باتری تا 80 درجه در هنگام شارژ و جریان نامیمی تواند تا 20-30 آمپر باشد. توصیه نمی شود باتری را بیش از دو ثانیه در معرض ولتاژ جریان بالاتر از 50 آمپر قرار دهید، در غیر این صورت اسپینل ها ممکن است بیش از حد گرم شوند و از کار بیفتند.

1. باتری های لیتیوم یون با کاتد فسفات آهن. چنین باتری به دلیل هزینه نسبتاً بالا تولید نادر است، قیمت نهایی آن کمی بالاتر از سایر باتری های لیتیوم یون است. کاتد فسفات دارد مزیت بزرگ: این طول عمر محصول و فرکانس شارژ مجدد است که به طور قابل توجهی بیشتر از دستگاه های مشابه است. اغلب این باتری ها دارای گارانتی 10 تا 50 ساله یا حدود 500 دوره شارژ هستند. با توجه به چنین شاخص هایی، باتری های دارای فسفات آهن اغلب در صنعت زمانی که نیاز به ولتاژ خروجی بالا است استفاده می شود.
2. باتری های لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت یون. این از نظر هزینه تولید و قابلیت اطمینان عملی ترین است محصول نهایی، ترکیبی از مواد برای ساخت کاتد. با توجه به خواص الکتروشیمیایی مواد ذکر شده، کاتد ساخته شده از آنها دارای مقادیر مقاومت پایینی است، بنابراین در دوره های طولانی عدم فعالیت باتری، تخلیه حداقل خواهد بود. همچنین با افزایش اندازه سلول شیشه ای یا کاتدی می توان ظرفیت کل باتری را افزایش داد و یا ولتاژ را افزایش داد. این راز در ترکیب منگنز و نیکل نهفته است که در صورت ترکیب صحیح، زنجیره ای با خواص الکتروشیمیایی بالا ایجاد می کند.
3. باتری لیتیوم تیتانات. کاتد این دستگاه که در اوایل دهه 1980 ساخته شد، برخلاف باتری های یونی با هسته گرافیتی، از نانوبلورهای لیتیوم تیتانات ساخته شده است. کاتدی ساخته شده از این ماده باعث می شود باتری در مدت زمان کوتاهی شارژ شود و ولتاژ را با مقاومت صفر حفظ کند. این واحد اغلب در سیستم های خودمختارروشنایی خیابانی، زمانی که لازم است در مدت زمان کوتاهی انرژی جمع شود و برای مدت طولانی بین مصرف کننده توزیع شود. نقطه ضعف چنین سیستمی هزینه نسبتاً بالا است باتری تمام شده، اما به دلیل افزایش طول عمر قطعه به سرعت جواب می دهد.

مهم!تمام باتری‌های لیتیوم یونی که در لیست ذکر شده‌اند، باتری‌هایی بدون نیاز به تعمیر و نگهداری هستند، بنابراین در صورت آسیب یا خرابی، تعمیر یا انجام خدمات برای افزودن الکترولیت امکان‌پذیر نخواهد بود. هر گونه دستکاری برای باز کردن درب باتری منجر به از بین رفتن صفحات باتری و خرابی کامل می شود.

اصل کار باتری های لیتیوم یونی

تمام باتری های لیتیوم یون ساختار مشابهی دارند که دارای چند تفاوت جزئی است که بر اصل عملکرد قطعه تأثیر نمی گذارد. پوسته بیرونی از مواد کامپوزیت، پلاستیک یا فلز نازک غیر آهنی ساخته شده است که بسیار نادر است. اغلب، باتری از کیس پلاستیکی، پایانه های فلزی برای تماس با مصرف کننده و میله های داخلی با ولتاژ مثبت و منفی. لیتیوم داخلی با اتصال شارژ می شود دستگاه خارجیبا جریان پایدار، اما هر محصول دارای بار اولیه است که به دلیل واکنش شیمیایی بین آند و کاتد رخ می دهد.

فرآیندهای روی الکترود منفی، ساخته شده از مواد کربنی، که ظاهری مانند گرافیت لایه‌ای طبیعی دارد، تصادفی هستند؛ اتم‌های باردار الکتریکی بدون از دست دادن ولتاژ در ماتریس حرکت می‌کنند. همه شاخص ها در این بخش منفی است.

الکترود مثبت باتری لیتیومی منحصراً از اکسیدهای کبالت یا نیکل و همچنین اسپینل لیتیوم منگنز ساخته شده است. در حین تخلیه، یون های لیتیوم از هسته کربن دور می شوند و پس از واکنش با اکسیژن، به کاتد نفوذ کرده و به بیرون می ریزند، اما نمی توانند از بدنه باتری خارج شوند. یون های لیتیوم باردار ولتاژ خود را از دست می دهند و تا زمانی که لیتیوم شارژ شود روی سطح آند باقی می مانند. در طول شارژ، کل فرآیند به ترتیب معکوس انجام می شود.

طراحی باتری لیتیوم یونی

چگونه عنصر قلیاییمنبع تغذیه، باتری لیتیومی به شکل یک سیلندر تولید می شود یا ممکن است شکل منشوری داشته باشد. در یک باتری استوانه ای، الکترودهای نورد شده به عنوان هسته استفاده می شوند، با یک پوسته مخصوص عایق شده و در داخل قرار می گیرند. مورد فلزی، که با عناصر دارای بار منفی همراه است. برای حفظ قطبیت، تماس منفی در پایین و تماس مثبت در بالای قطعه قرار دارد و این عناصر نباید با یکدیگر تماس داشته باشند، در غیر این صورت جریان از طریق هادی به گردش در می آید که منجر به تخلیه خود به خود می شود.

شکل منشوری باتری لیتیوم یونی بسیار رایج است. در این طرح هسته از روی هم چیدن صفحات مخصوصی که در حداقل فاصله از یکدیگر قرار گرفته اند تشکیل می شود. این سیستم اجازه می دهد تا برای بالاتر مشخصات فنی، اما به دلیل محکم بودن صفحات در هنگام شارژ شدن باتری ها، گرم شدن بیش از حد هسته و ذوب توری امکان پذیر است که منجر به کاهش بهره وری قطعه می شود.

اغلب می توانید پیدا کنید سیستم ترکیبیدستگاه های باتری لیتیوم یونی، زمانی که الکترودهای نورد شده در یک استوانه بیضی شکل می شوند. در عین حال، قوانین انتقال صاف رعایت می شود و در همان زمان، بخش مستقیم شکل صفحه را تقلید می کند. چنین باتری هایی دارای ویژگی های هر دو نوع محصول هستند، عمر مفید آنها بسیار طولانی تر است.

در طی واکنش شیمیایی و عملکرد باتری، گازهایی در داخل کیس تشکیل می شود که حاوی مواد مضر است. برای حذف سریع این بخارات، یک خروجی در مورد باتری های لیتیوم یونی وجود دارد که به بانک ها متصل شده و به سرعت گاز انباشته شده را از حفره باتری خارج می کند. تعدادی باتری با قدرت بالامجهز به یک دریچه مخصوص که در هنگام تجمع بحرانی بخارات فعال می شود.

بررسی باتری لیتیوم یونی

شارژهای لیتیوم داخل باتری نیاز به بررسی دوره ای دارد، علیرغم این واقعیت که باتری مشخص شده بدون نیاز به تعمیر و نگهداری در نظر گرفته می شود، از آنجایی که کیس آن مهر و موم شده است، باتری همچنان باید با استفاده از دستگاه خاصی بررسی شود.

بازرسی همیشه با یک بازرسی خارجی آغاز می شود که طی آن بدنه قطعه از نظر ترک و تغییر شکل بررسی می شود. پایانه های باتری نیز بازرسی شده و از اکسیداسیون و سایر آلاینده ها پاک می شوند.

مهم!لازم است باتری را تمیز نگه دارید و از اتصال اتصالات به یکدیگر خودداری کنید، زیرا ممکن است منجر به این شود تخلیه کاملباتری، بازیابی آن بسیار مشکل خواهد بود.

برای بررسی وضعیت داخلی هسته از یک دوشاخه بار استفاده می شود که به پایانه ها متصل شده و ولتاژ نامی شبکه را اندازه گیری می کند. سپس یک تخلیه به باتری اعمال می شود و دستگاه نشانگرهای احتباس جریان را در داخل قطعه می خواند. توجه به این نکته ضروری است که باتری در زمان تست باید کاملاً شارژ شود، در غیر این صورت خوانش ها نادرست خواهند بود.

کاربردهای باتری های لیتیوم یونی

باتری های لیتیوم یون بسته به پیکربندی، شکل و در بسیاری از مناطق مورد استفاده قرار می گیرند ولتاژ محاسبه شده. رایج ترین استفاده از باتری ها در صنعت خودروسازی است، در هر وسیله نقلیهمنبع تغذیه خود را دارد که وظیفه راه اندازی خودرو و انجام سایر عملکردها را بر عهده دارد.

از این باتری ها نیز استفاده می شود دستگاه های تلفن همراه، لپ تاپ و سایر ابزارها. طراحی این گونه باتری ها شبیه باتری های خودرو است، تنها تفاوت در ابعاد محصولات است که می تواند به اندازه یک قوطی کبریت باشد.

که در اخیرامعرفی باتری های لیتیوم یونی به سیستم ها رایج شده است منبع تغذیه اضطراریدر خانه و به عنوان منابع اضطراریبرق، در حالی که باتری به طور مداوم به شبکه مرکزی متصل است. در حالی که دستگاه ها کار می کنند، باتری از یک نیروگاه ساده شارژ می شود و هنگامی که برق خاموش می شود، به طور خودکار شروع به تامین جریان به مصرف کننده می کند. در این حالت، باتری قابل شارژ باید به درستی قرار گرفته و دارای سیستم های حفاظت از گرمای بیش از حد باشد.

ویدئو

ساعات کاری گوشی های هوشمند مدرنبدون شارژ مجدد توسط باتری آنها و ویژگی های آن تعیین می شود.

چه نوع باتری هایی وجود دارد؟

باتری های نیکل-کادمیم (Ni-Cd) و نیکل-فلز هیدرید (Ni-MH) دیگر مرتبط نیستند - آنها برای مدت طولانی به درستی کار می کردند، اما دارای معایبی بودند. ابزارهای ما در بیشتر موارد از باتری های مبتنی بر لیتیوم - لیتیوم یون (Li-Ion) و لیتیوم پلیمر (Li-Pol) استفاده می کنند.

یکی از ویژگی های اصلی باتری ظرفیت آن است. تعیین می کند که باتری چقدر برق می تواند ذخیره کند و دستگاه چقدر می تواند به طور مستقل کار کند. رایج ترین باتری ها باتری هایی با ظرفیت 2000 تا 3000 میلی آمپر ساعت (میلی آمپر در ساعت) هستند. ابعاد منابع لیتیوم یون بر خلاف پیشینیان بسیار فشرده باقی مانده است.

باتری های لیتیوم پلیمری از نظر اشکال هندسی متفاوت با باتری های لیتیوم یونی هستند و که در حال حاضر اهمیت ویژه ای دارد. حداقل ضخامت، که از 1 میلی متر شروع می شود. این اجازه می دهد تا آنها را در گوشی های هوشمند بسیار نازک استفاده کنید.

باتری های لیتیومی متفاوت هستند بلند مدتخدمات به شرط استفاده صحیح تولید کنندگان بسیاری از گوشی های هوشمند معروففقط برای تعویض باتری در مرکز خدمات، بدنه دستگاه را یکپارچه می کند و قاب پشتی و باتری را غیر قابل جابجایی می کند. بدون تجهیزات خاصو دانش، کاربر قادر نخواهد بود این عملیات را به تنهایی انجام دهد.

دما در حین کار ظرفیت باتری به طور مستقیم تحت تأثیر قرار می گیرد. حرارتباعث انباشت سریعتر انرژی می شود؛ در دماهای پایین، ظرفیت به طور قابل توجهی کاهش می یابد. اگر از شارژ ناکافی استفاده کنید، به سرعت تمام می شود. علاوه بر این، خطر کاهش شارژ به صفر وجود دارد که بسیار نامطلوب است - باتری های لیتیومی از تخلیه کامل رنج می برند.

و وضعیت برعکس. یک گوشی هوشمند 100% شارژ شده در زیر نور مستقیم خورشید استفاده می شود. به طور تصویری، در این حالت، 100٪ شارژ به 110٪ تبدیل می شود و مقدار اضافی برق انباشته وجود دارد که می تواند منجر به کاهش ظرفیت شود.

بر این اساس، ارزش مشاهده شرایط دمایی عملکرد ابزار را دارد. علاوه بر این، ما در مورد گرمایش طبیعی در طول استفاده فعال صحبت نمی کنیم - چنین افزایش دما خطری برای باتری ایجاد نمی کند.

زمان شارژ و شارژر. هر منبع لیتیوم دارای یک کنترلر مخصوص است که باید آن را از جریان اضافی محافظت کند. به محض رسیدن شارژ کاملجریان ورودی قطع می شود.

خطاها و خطاهایی در عملکرد کنترلر ممکن است که منجر به شارژ بیش از حد می شود. گاهی اوقات این به دلیل استفاده از شارژرهای غیر اورجینال گوشی های هوشمند است. توصیه نمی شود گوشی هوشمند شارژی را پس از شارژ کامل برای مدت طولانی در پریز بگذارید. همچنین باید از شارژرهای اصلی یا آنهایی که پارامترهای آنها هستند استفاده کنید.

باتری های لیتیومی باید بدون انتظار شارژ شوند خاموش شدن کاملدستگاه ها، به عنوان مثال، با 10-15٪ از شارژ باقی مانده. آنها را می توان هر زمان که ممکن است در طول روز شارژ کرد، به عنوان مثال، از درگاه USB یک کامپیوتر کار یا در ماشین. نیازی به شارژ کامل نیست.

ذخیره سازی. اگر صاحب گوشی هوشمند برنامه ریزی کند مدت زمان طولانیاز دستگاه استفاده نکنید، میزان شارژ باتری توصیه شده در این مورد باید حدود 50٪ باشد.

تعداد چرخه های شارژ باتری های لیتیومی تقریباً 1200 بار است. محاسبات ساده نشان می دهد که عمر باتری حداقل 3 سال دوام می آورد. با رعایت توصیه های بالا، می توانید عمر باتری را افزایش دهید.