Litij-ionske i litij-polimerske baterije

Inženjerska se misao neprestano razvija: potaknuta je problemima koji se stalno pojavljuju koji za svoje rješenje zahtijevaju razvoj novih tehnologija. Nikl-kadmijeve (NiCd) baterije zamijenjene su nikl-metal hidridnim (NiMH) baterijama, a sada pokušavaju zauzeti mjesto litij-ionskih (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 što je s litij baterijama? Koje su njihove karakteristike i po čemu se Li-pol baterije razlikuju od Li-ion? Pokušajmo razumjeti ovo pitanje.

U pravilu pri kupnji mobitela ili laptopa svi ne razmišljamo o tome kakvu bateriju imaju unutra i po čemu se ti uređaji općenito 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 je baterija optimalna za mobitel, odgovorit ću ukratko – Li-ion. Dodatne informacije namijenjene su znatiželjnicima.

Za početak mali izlet u povijest.

Prvi eksperimenti za stvaranje litijevih baterija započeli su 1912. godine, ali samo šest desetljeća kasnije, početkom 70-ih, prvi put su uvedene u kućanske uređaje. Štoviše, naglašavam, upravo su to bile baterije. Kasniji pokušaji razvoja litijevih baterija (punjivih baterija) bili su neuspješni zbog sigurnosnih razloga. Litij, najlakši od svih metala, ima najveći elektrokemijski potencijal i pruža najveću gustoću energije. Baterije koje koriste litij metalne elektrode imaju i visok napon i izvrstan kapacitet. No, kao rezultat brojnih istraživanja 80-ih godina, ustanovljeno je da ciklički rad (punjenje - pražnjenje) litij baterija dovodi do promjena na litij elektrodi, zbog čega se smanjuje toplinska stabilnost i postoji opasnost od toplinske država koja izmiče kontroli. Kada se to dogodi, temperatura ćelije brzo se približava točki taljenja litija - i počinje burna reakcija, paljenje plinova koji se oslobađaju. Na primjer, veliki broj litij baterija za mobitele isporučenih u Japan 1991. godine povučen je nakon nekoliko požara.

Zbog nestabilnosti svojstvene litiju, istraživači su okrenuli pogled na nemetalne litijeve baterije na bazi litijevih iona. Nakon što su istovremeno malo izgubili u gustoći energije i poduzeli neke mjere opreza tijekom punjenja i pražnjenja, dobili su sigurnije tzv. Li-ion baterije.

Gustoća energije Li-ion baterija obično je dvostruko veća od gustoće standardnog NiCd, a u budućnosti se, zahvaljujući korištenju novih aktivnih materijala, očekuje još više povećati i postići trostruku superiornost u odnosu na NiCd. Osim velikog kapaciteta, Li-ion baterija se tijekom pražnjenja ponaša slično kao NiCd (oblik njihovih karakteristika pražnjenja je sličan i razlikuje se samo po naponu).

Trenutno postoji mnogo vrsta Li-ion baterija, a o prednostima i nedostacima jedne ili druge vrste možete dugo govoriti, 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 litij-polimerskih baterija.

Glavne prednosti.

• Velika gustoća energije i, kao rezultat, veliki kapacitet s istim dimenzijama u usporedbi s 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 jednostaničnu bateriju u mobitelima (sjetite se Nokie). Međutim, da bi se osigurala ista snaga, mora se isporučiti veća struja. A to zahtijeva osiguranje niskog unutarnjeg 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 stalno se poboljšava. Ažurira se otprilike svakih šest mjeseci, a teško je razumjeti kako se nove baterije ponašaju nakon dugotrajnog skladištenja.

Jednom riječju, svatko bi imao dobru Li-ion bateriju da nema problema s osiguravanjem sigurnosti njezina rada i visoke cijene. Pokušaji rješavanja ovih problema doveli su do pojave litij-polimerskih (Li-pol ili Li-polymer) baterija.

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

Ovaj dizajn pojednostavljuje proizvodni proces, sigurniji je i omogućuje proizvodnju tankih baterija slobodnog oblika. Osim toga, odsutnost tekućeg 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 vodljivost na sobnoj temperaturi. Njihov unutarnji otpor je previsok i ne može osigurati količinu struje potrebnu za moderne komunikacije i napajanje tvrdih diskova prijenosnih računala. Istodobno, kada se zagrije na 60 ° C ili više, električna vodljivost Li-polimera povećava se na prihvatljivu razinu, ali to nije prikladno za masovnu upotrebu.

Istraživači nastavljaju razvijati Li-polimer baterije suhih čvrstih elektrolita koje rade na sobnoj temperaturi. Očekuje se da će takve baterije biti komercijalno dostupne do 2005. godine. Bit će stabilne, dopuštati 1000 ciklusa punjenja i pražnjenja i imati veću gustoću energije od današnjih Li-ion baterija.

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

Pitate: kako to? Li-polimer baterije se na tržištu uvelike prodaju, proizvođači njima opremaju telefone i računala, 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 vodljivost malih Li-polimer baterija, u njih se dodaje određena količina geliranog elektrolita. A većina Li-polimer baterija koje se danas koriste za mobilne telefone zapravo su hibridi jer sadrže elektrolit sličan gelu. Ispravnije bi ih bilo nazvati litij-ionskim polimerima. Ali većina proizvođača ih jednostavno označava kao Li-polimer u promotivne svrhe. Zaustavimo se detaljnije na ovoj vrsti litij-polimer baterija, jer su one trenutno od najvećeg interesa.

Dakle, koja je razlika između Li-ion i Li-polimer baterije s dodatkom gel elektrolita? Iako su karakteristike i učinkovitost oba sustava uglavnom slične, jedinstvenost Li-ion polimerne (možete je čak i tako nazvati) baterije je u tome što i dalje koristi čvrsti elektrolit, zamjenjujući porozni separator. Gel elektrolit se dodaje samo za povećanje ionske vodljivosti.

Tehničke poteškoće i kašnjenje u jačanju proizvodnje odgodili su uvođenje Li-ion polimernih baterija. Razlog tome je, prema nekim stručnjacima, želja investitora koji su uložili velike svote novca u razvoj i masovnu proizvodnju Li-ion baterija, da vrate svoja ulaganja. Stoga se ne žure s prijelazom na nove tehnologije, iako će tijekom masovne proizvodnje Li-ion polimerne baterije biti jeftinije od litij-ionskih baterija.

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

Njihove su glavne karakteristike vrlo slične. Punjenje Li-ion baterija dovoljno je detaljno opisano u članku. Uz to, dat ću samo graf (slika 1) iz, koji ilustrira faze punjenja, i mala objašnjenja za njega.

Vrijeme punjenja svih Li-ion baterija s početnom strujom punjenja od 1C (brojčano jednako nazivnoj 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 razinu približno jednaku 3% početne vrijednosti. Baterija ostaje hladna tijekom 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 dosegne 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 dosegne gornjih 3%. Nakon toga, naplata se potpuno prekida.

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

Nekoliko riječi o rasponu temperature pri punjenju. Većina vrsta Li-ion baterija može se puniti strujom od 1C na temperaturi od 5 do 45°C. Pri temperaturama od 0 do 5 ° C preporuča 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 gotovo su identični gore opisanim, pa potrošač ne mora znati koju od dvije vrste baterija ima u rukama. A svi oni punjači koje je koristio za Li-ion baterije su prikladni za Li-polimer.

A sada o uvjetima 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). Što to znači? Napon na bateriji kada se telefon uključi postupno se smanjuje, a čim dosegne 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 za određivanje kada je tipka za uključivanje telefona pritisnuta i neke druge funkcije. Osim toga, energiju troši vlastiti unutarnji upravljački i zaštitni krug, a samopražnjenje, iako malo, još uvijek je tipično čak i za baterije na bazi litija. Kao rezultat toga, ako litijeve baterije ostavite dulje vrijeme bez ponovnog punjenja, napon na njima će pasti ispod 2,5 V, što je vrlo loše. U tom slučaju moguće je onemogućiti unutarnji 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, vjerojatnije je da će baterije biti u napunjenom nego u ispražnjenom stanju.

Nekoliko riječi o temperaturnim uvjetima tijekom pražnjenja (čitajte tijekom rada).

Općenito, Li-ion baterije najbolje rade na sobnoj temperaturi. Rad u toplijim uvjetima ozbiljno će skratiti njihov životni vijek. Iako, primjerice, olovno-kiselinska baterija ima najveći kapacitet na temperaturama iznad 30°C, dulja uporaba u takvom okruženju skratit će životni vijek baterije. Isto tako, Li-ion radi bolje na visokim temperaturama, što u početku sprječava povećanje unutarnjeg otpora baterije koje je posljedica starenja. Ali povećana izlazna energija je kratka, jer porast temperature, zauzvrat, potiče ubrzano starenje, praćeno daljnjim povećanjem unutarnjeg otpora.

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

Pri niskim temperaturama učinkovitost baterija u svim elektrokemijskim sustavima naglo pada. 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 uporabe.

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 pri vrlo niskim temperaturama je iznimno ograničena i struju punjenja u tim slučajevima treba smanjiti na 0,1C.

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

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

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

Nemojte dopustiti potpuno pražnjenje. Litij-ionske baterije nemaju takozvani memorijski efekt, pa se mogu i, štoviše, trebaju puniti bez čekanja da se isprazni do nule. Mnogi proizvođači računaju vijek trajanja litij-ionske baterije kao broj ciklusa punog pražnjenja (do 0%). Za kvalitetne baterije, ovo je 400-600 ciklusa... Da biste produžili vijek trajanja svoje litij-ionske baterije, češće punite telefon. Optimalno, čim napunjenost baterije padne ispod oznake od 10-20 posto, možete staviti telefon na punjenje. To 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%. Tablica u nastavku prikazuje odnos između broja ciklusa pražnjenja litij-ionske baterije i dubine pražnjenja:

Otpuštanje svaka 3 mjeseca. Dugotrajno puno punjenje jednako je štetno za litij-ionske baterije kao i stalno pražnjenje do nule.
Zbog izrazito nestabilnog procesa punjenja (telefon često punimo po potrebi, a tamo gdje radi, s USB-a, iz utičnice, iz vanjske baterije itd.), stručnjaci preporučuju potpuno pražnjenje baterije jednom svaka 3 mjeseca, a zatim punjenje na 100% i držanje napunjenog 8-12 sati. To pomaže u poništavanju takozvanih oznaka visoke i niske razine napunjenosti baterije. Više o tome možete pročitati.

Spremite djelomično napunjeno... Najbolji uvjet za dugotrajno skladištenje litij-ionske baterije je između 30 i 50 posto napunjenosti na 15 °C. Ako se baterija ostavi potpuno napunjena, njezin će se kapacitet tijekom vremena značajno smanjiti. No baterija, koja je već dugo skupljala prašinu na polici ispražnjena na nulu, najvjerojatnije više nije podstanar - vrijeme je da je pošaljete na recikliranje.
Donja tablica pokazuje koliki kapacitet ostaje u litij-ionskoj bateriji, ovisno o temperaturi skladištenja i razini napunjenosti kada se čuva 1 godinu.

Koristite originalni punjač. Malo ljudi zna da se punjač u većini slučajeva ugrađuje izravno u mobilne uređaje, a vanjski adapter samo snižava napon i ispravlja struju kućnog napajanja, odnosno ne utječe izravno na bateriju. Neki gadgeti, poput digitalnih fotoaparata, nemaju ugrađeni punjač, ​​pa su im litij-ionske baterije umetnute u vanjski “punjač”. Ovdje korištenje vanjskog punjača upitne kvalitete umjesto originalnog može negativno utjecati na performanse baterije.

Nemojte pregrijati. Pa, najgori neprijatelj litij-ionskih baterija je visoka temperatura - one uopće ne podnose pregrijavanje. Stoga ne izlažite mobilne uređaje izravnoj sunčevoj svjetlosti niti ih ostavljajte u neposrednoj blizini izvora topline kao što su električni grijači. Maksimalne dopuštene temperature na kojima se mogu koristiti litij-ionske baterije: od –40°C do +50°C

Također, možete vidjeti

Koji je rasprostranjen u suvremenoj elektroničkoj opremi kućanstva i svoju primjenu nalazi kao izvor energije u električnim vozilima i sustavima za pohranu energije u energetskim sustavima. To je najpopularnija vrsta baterija u uređajima poput mobitela, prijenosnih računala, električnih vozila, digitalnih fotoaparata i kamkordera. Prvu litij-ionsku bateriju objavila je Sony Corporation 1991. godine.

Tehnički podaci

Litij-ionske baterije pokazuju sljedeće karakteristike, ovisno o elektro-kemijskoj shemi:

• 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
• Unutarnji otpor: 5 ... 15 mOhm / 1Ah
• Broj ciklusa punjenja/pražnjenja do gubitka kapaciteta od 20%: 1000-5000
• Vrijeme brzog 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 pri negativnim temperaturama)

Uređaj

Litij-ionska baterija sastoji se od elektroda (katodni materijal na aluminijskoj foliji i anodni materijal na bakrenoj foliji) razdvojenih poroznim separatorima impregniranim elektrolitom. Paket elektroda smješten je u zatvorenom kućištu, katode i anode su spojene na stezaljke strujnog kolektora. Tijelo ima sigurnosni ventil koji oslobađa unutarnji tlak u slučaju nužde i kršenja radnih uvjeta. Litij-ionske baterije razlikuju se po vrsti materijala katode. Nositelj struje u litij-ionskoj bateriji je pozitivno nabijeni litijev ion, koji ima sposobnost da se ugradi (interkalira) u kristalnu rešetku drugih materijala (na primjer, grafita, oksida i metalnih soli) uz stvaranje kemijska veza, na primjer: u grafit uz stvaranje LiC6, oksida (LiMO 2) i metalnih soli (LiM RON). U početku se kao negativne ploče koristio metalni litij, zatim koks od ugljena. U budućnosti se počeo koristiti grafit. Donedavno su se kao pozitivne ploče koristili litijevi oksidi s kobaltom ili manganom, ali ih sve više zamjenjuje litijev fero-fosfat koji se pokazao sigurnim, jeftinim i neotrovnim te se može reciklirati na ekološki prihvatljiv način. Litij-ionske baterije koriste se u kombinaciji sa sustavom upravljanja i upravljanja – BMS ili BMS (sustav upravljanja baterijama) i posebnim uređajem za punjenje/pražnjenje. Trenutno se u masovnoj proizvodnji litij-ionskih baterija koriste tri klase katodnih materijala: - litij kobaltat LiCoO 2 i čvrste otopine na bazi izostrukturnog litijevog nikelata - litij mangan spinel LiMn 2 O 4 - litij ferofosfat LiFePO 4. Elektrokemijske sheme litij-ionskih baterija: litij-kobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi + C6 litij-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. Štoviše, osim BMS sustava (IMS), opremljeni su inverterima (pretvaračima napona).

Prednosti

• Visoka gustoća energije.
• Nisko samopražnjenje.
• Nedostatak efekta pamćenja.
• Bez održavanja.

Nedostaci

Li-ionske baterije prve generacije bile su izložene eksplozivnim učincima. 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 . Taj je problem konačno riješen zamjenom materijala anode grafitom. Slični procesi odvijali su se na katodama litij-ionskih baterija na bazi kobalt oksida kada su narušeni uvjeti rada (prepunjenje). Litij-fero-fosfatne baterije potpuno su lišene ovih nedostataka. Osim toga, sve moderne litij-ionske baterije imaju ugrađene elektroničke sklopove za sprječavanje prekomjernog punjenja i pregrijavanja zbog prekomjernog punjenja.

Li-ion baterije s nekontroliranim pražnjenjem mogu imati kraći životni vijek od drugih vrsta baterija. Kada se potpuno isprazne, litij-ionske baterije gube sposobnost punjenja kada je priključen napon punjenja. Taj se problem može riješiti primjenom impulsa višeg napona, ali to negativno utječe na daljnje performanse litij-ionskih baterija. Maksimalni "život" Li-ion baterije postiže se kada je punjenje ograničeno odozgo na 95%, a pražnjenje je 15-20%. Ovaj način rada podržava BMS sustav nadzora i upravljanja (BMS), koji je uključen u bilo koju litij-ionsku bateriju.

Optimalni uvjeti skladištenja za Li-ion baterije postižu se pri razini napunjenosti od 40-70% kapaciteta baterije i temperaturi od oko 5°C. U tom je slučaju niska temperatura važnija za male gubitke kapaciteta tijekom dugotrajnog skladištenja. Prosječni rok trajanja (radni vijek) litij-ionske baterije je u prosjeku 36 mjeseci, iako može biti od 24 do 60 mjeseci.

Gubitak skladišnog kapaciteta:

Prema svim važećim propisima za skladištenje i rad litij-ionskih baterija, za dugotrajno skladištenje potrebno ih je jednom svakih 6-9 mjeseci napuniti do razine od 70% kapaciteta.

vidi također

Bilješke (uredi)

Književnost

• Khrustalev D.A. Akumulatori. M: Emerald, 2003.
• Jurij Filipovski Pokretna hrana. Dio 2. (RU). ComputerraLab (26. svibnja 2009.). - Detaljan članak o Li-ion baterijama .. Preuzeto 26. svibnja 2009.

Linkovi

• GOST 15596-82 Termini i definicije.
• GOST 61960-2007 Litijevi akumulatori i baterije za pohranu
• Litij-ionske i litij-polimerske baterije. iXBT (2001.)
• Domaće litij-ionske baterije

Većina modernih elektroničkih uređaja, poput prijenosnog računala, telefona ili playera, opremljena je litij-ionskim baterijama, koje djeluju kao samostalni izvori napajanja. Ove ionske baterije razvijene su relativno nedavno, ali su zbog svojih karakteristika stekle veliku popularnost među dizajnerima i proizvođačima naprava. Sada, uz razne kućanske aparate, mnogi alati za ukrašavanje i popravak, odvijači ili strojevi za rezanje opremljeni su takvim izvorima energije. Ovaj članak govori o vrstama litij-ionskih baterija, njihovim područjima primjene i principu rada.

Vrste litij-ionskih baterija

Punjive baterije, koje rade na principu pohranjivanja energije i dopremanja do potrošenog uređaja, su više vrsta, koje se mogu kombinirati u jednu litij-ionsku jedinicu. Ove baterije uključuju:

1. Litij kobalt baterija. Takav se uređaj sastoji od grafitne anode i katode od kobalt oksida. Katoda ima strukturu nalik pločici s prazninama između dijelova, stoga, kada se troši energija, litijevi ioni se dovode do ploča s anode, dolazi do elektromagnetske reakcije, a napon se dovodi na terminale. Nedostatak takvog sustava je slaba otpornost mehanizma na ekstremne temperature, jer se s negativnim pokazateljima baterija prazni, čak i ako nije spojena na potrošača. Tijekom ponovnog punjenja proizvoda mijenja se smjer struje, a litijevi ioni ulaze u anode kroz katode, dolazi do njihovog nakupljanja, a napon raste. Strogo je zabranjeno spajati punjač na bateriju čiji je nazivni napon veći od indikatora dijela, inače se baterija može pregrijati, ploče će se rastopiti, a kućište će puknuti;
2. Litij-mangan baterija. Također se odnosi i na litij-ionske baterije, čije je radno okruženje izrađeno od manganskog spinela u obliku trodimenzionalnih križnih tunela. Za razliku od kobaltnog sustava, ova vrsta baze osigurava nesmetan prolaz litijevih iona od anode do katode i dalje do kontakata uređaja. Glavna prednost litij-ion manganske baterije je njena niska otpornost materijala, zbog čega se takve baterije često koriste za hibridna vozila, alate koji troše veliku količinu struje ili u medicinskoj opremi koja radi autonomno. Dopušteno je zagrijavanje baterije tijekom punjenja do 80 stupnjeva, a nazivna struja može biti do 20-30 Ampera. Ne preporučuje se djelovanje na bateriju strujom, čiji je napon veći od 50A, dulje od dvije sekunde, inače se spineli mogu pregrijati i otkazati;

1. Litij-ionske punjive baterije sa željezno-fosfatnom katodom. Takva baterija je rijetka zbog relativno visoke cijene proizvodnje, a konačna cijena joj je nešto viša od ostalih litij-ionskih baterija. Fosfatna katoda ima veliku prednost: to je vijek trajanja proizvoda i učestalost punjenja znatno je bolja od sličnih uređaja. Najčešće ove baterije imaju jamstvo od 10 do 50 godina ili oko 500 ciklusa punjenja. Zbog ovih karakteristika, željezofosfatne baterije se često koriste u industriji kada je potrebno dobiti visoki izlazni napon;
2. Litij-nikl-mangan-kobalt-oksid ionske baterije. Ovo je najpraktičnija, u smislu troškova proizvodnje i pouzdanosti gotovog proizvoda, kombinacija materijala za izradu katode. Zbog elektrokemijskih svojstava navedenih tvari, katoda izrađena od njih ima niske vrijednosti otpora, stoga će tijekom dugog mirovanja baterije pražnjenje biti minimalno. Također, povećanjem veličine staklene ili katodne ćelije možete povećati ukupni kapacitet baterije ili povećati napon. Tajna leži u kombinaciji mangana i nikla, koji, kada se pravilno kombiniraju, stvara lanac s visokim razinama elektrokemijskih svojstava;
3. Litij-titanatna baterija. Razvijen početkom 1980-ih, za razliku od ionskih baterija s grafitnom jezgrom, katoda ovog uređaja izrađena je od nanokristala litij-titanata. Katoda izrađena od ovog materijala omogućuje punjenje baterije u kratkom vremenskom razdoblju i održavanje napona s nultim otporom. Ova se jedinica često koristi u autonomnim sustavima ulične rasvjete, kada je potrebno akumulirati energiju u kratkom vremenu i dati je potrošaču dugo vremena. Nedostatak takvog sustava je relativno visoka cijena gotove baterije, ali se brzo isplati zbog produženog vijeka trajanja dijela.

Važno! Sve navedene litij-ionske baterije su baterije koje se ne mogu servisirati, stoga u slučaju oštećenja ili kvara neće biti moguć popravak ili servis za dodavanje elektrolita. Bilo kakve manipulacije za otvaranje poklopca baterije dovest će do uništenja ploča baterije i potpunog kvara.

Kako rade litij-ionske baterije

Sve litij-ionske baterije imaju sličnu strukturu, koja ima nekoliko manjih razlika koje ne utječu na način na koji dio radi. Vanjska je školjka izrađena od kompozitnog materijala, plastike ili tankog obojenog metala, što je vrlo rijetko. Najčešće se baterija sastoji od plastičnog kućišta, metalnih terminala za kontakt s potrošačem i unutarnjih šipki s pozitivnim i negativnim naponom. Unutarnji litij se puni spajanjem vanjskog uređaja sa stabilnom strujom, ali svaki proizvod ima primarni naboj, koji nastaje zbog kemijske reakcije između anode i katode.

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

Pozitivna elektroda litij baterije izrađena je isključivo od oksida kobalta ili nikla i litij-mangan spinela. Tijekom pražnjenja, litijevi ioni odmiču se od ugljične jezgre i, reagirajući s kisikom, prodiru u katodu i jure prema van, ali ne mogu napustiti tijelo baterije. Nabijeni litijevi ioni gube napon i ostaju na površini anode sve dok se litij ne napuni. Tijekom punjenja cijeli se proces odvija obrnutim redoslijedom.

Dizajn litij-ionske baterije

Kao alkalna baterija, litijeva baterija se proizvodi u obliku cilindra ili može biti prizmatična. U cilindričnoj bateriji kao jezgra se koriste valjane elektrode, izolirane posebnim omotačem i smještene u metalno kućište, koje je spojeno na negativno nabijene ćelije. Da bi se održao polaritet, minus kontakt se nalazi na dnu, a plus kontakt je na vrhu dijela, a ti elementi ne bi se trebali dodirivati, inače će struja cirkulirati kroz vodič, što će dovesti do spontanog pražnjenja.

Prizmatični oblik litij-ionske baterije prilično je uobičajen. U ovom dizajnu, jezgra se formira preklapanjem posebnih ploča jedna na drugu, koje su međusobno na minimalnoj udaljenosti. Takav sustav omogućuje postizanje viših tehničkih karakteristika, ali zbog čvrstog prianjanja ploča dok se baterije pune, moguće je pregrijavanje jezgre i taljenje mreže, što dovodi do smanjenja produktivnosti dijela.

Nije neuobičajeno pronaći kombinirani sustav uređaja litij-ionske baterije gdje su namotane elektrode oblikovane u ovalni cilindar. U ovom slučaju se poštuju pravila glatkoće prijelaza, a istovremeno ravan dio oponaša oblik nalik na ploču. Takve baterije imaju karakteristike obje vrste proizvoda, njihov radni vijek je mnogo duži.

Tijekom kemijske reakcije i rada baterije unutar kućišta nastaju plinovi koji sadrže štetne tvari. Za brzo uklanjanje ovih para u slučaju litij-ionskih baterija postoji utičnica koja ima vezu s bankama i na vrijeme uklanja nakupljeni plin iz šupljine baterije. Neke baterije velike snage opremljene su posebnim ventilom koji se oslobađa tijekom kritičnog nakupljanja pare.

Test litij-ionske baterije

Napunjenost litija unutar baterije potrebno je povremeno provjeravati, unatoč činjenici da se navedena baterija smatra neupotrebljivom, budući da je njeno kućište zapečaćeno, baterija se ipak mora provjeravati posebnim uređajem.

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

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

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

Primjena litij-ionskih baterija

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

Također, ove baterije se koriste u mobilnim uređajima, prijenosnim računalima i drugim gadgetima. Uređaj takvih baterija sličan je automobilskim, jedina razlika leži u dimenzijama proizvoda, koje mogu biti veličine kutije šibica.

U posljednje vrijeme postalo je popularno uvođenje litij-ionskih baterija u sustave neprekidnog napajanja kod kuće i kao hitne izvore električne energije, dok je baterija trajno spojena na središnju mrežu. Tijekom rada uređaja iz jednostavne elektrane baterija se puni, a kada se napajanje isključi automatski počinje opskrbljivati ​​strujom potrošača. U tom slučaju, punjiva baterija mora biti pravilno postavljena i opremljena sustavima zaštite od pregrijavanja.

Video

Vrijeme rada modernih pametnih telefona bez punjenja određeno je njihovom baterijom i njezinim karakteristikama.

Kakve baterije postoje?

Nikl-kadmijeve (Ni-Cd) i nikl-metal hidridne (Ni-MH) baterije više nisu relevantne – dugo su radile dobro, ali su imale niz nedostataka. U našim gadgetima u većini slučajeva koriste se baterije na bazi litija - litij-ionske (Li-Ion) i litij-polimerne (Li-Pol).

Jedna od glavnih karakteristika baterije je njezin kapacitet. Određuje koliko električne energije baterija može pohraniti i koliko dugo uređaj može raditi autonomno. Najčešće baterije su one kapaciteta od 2.000 do 3.000 mAh (miliampera/sat). Dimenzije litij-ionskih izvora ostaju vrlo kompaktne, za razliku od svojih prethodnika.

Litij-polimerske baterije razlikuju se od litij-ionskih po raznim geometrijskim oblicima i, što je sada posebno važno, po minimalnoj debljini koja počinje od 1 mm. To im omogućuje da se koriste u vrlo tankim pametnim telefonima.

Litij baterije imaju dug vijek trajanja ako se pravilno koriste. Proizvođači mnogih poznatih pametnih telefona omogućili su zamjenu baterije samo u servisnom centru, čineći tijelo uređaja monolitnim, a stražnji poklopac i bateriju se ne mogu ukloniti. Bez posebne opreme i znanja, korisnik neće moći samostalno izvesti ovu operaciju.

Temperatura tijekom rada. Izravno utječe na kapacitet baterije. Visoka temperatura potiče brže skladištenje energije, pri niskoj temperaturi kapacitet značajno opada. Ako koristite nedovoljno napunjenu, brzo će se isprazniti. Štoviše, postoji opasnost od snižavanja punjenja na nulu, što je krajnje nepoželjno - litijeve baterije pate od potpunog pražnjenja.

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

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

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

Moguće su pogreške i netočnosti u radu regulatora, što dovodi do prekomjernog punjenja. Ponekad je to zbog upotrebe neoriginalnih punjača za pametne telefone. Ne preporučuje se ostavljati pametni telefon za punjenje u utičnici dulje vrijeme nakon što se napuni do kraja. Također morate koristiti originalne punjače ili one čiji parametri.

Litij baterije treba puniti bez čekanja da se uređaj potpuno isključi, na primjer, za 10-15% preostalog napunjenosti. Mogu se napajati kad god je to moguće tijekom dana, na primjer, iz USB priključka radnog računala ili u automobilu. Nije potrebno postići potpuno punjenje.

Skladištenje. Ako vlasnik pametnog telefona planira ne koristiti uređaj dulje vrijeme, preporučena razina napunjenosti baterije u ovom slučaju trebala bi biti oko 50%.

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