Među najsuvremenijim baterijama posebno mjesto zauzimaju litijeve. U kemiji je litij najaktivniji metal.

Ima ogroman resurs za skladištenje energije. 1 kg litija može pohraniti 3860 amper sati. Dobro poznati cink daleko zaostaje. Njegova brojka je 820 amper sati.

Ćelije na bazi litija mogu proizvesti napon do 3,7 V. Ali laboratorijski uzorci mogu proizvesti napon od oko 4,5 V.

Moderne litijeve baterije ne koriste čisti litij.

Trenutno postoje 3 uobičajene vrste litijskih baterija:

Litij-ion ( Li-ion). Nazivni napon (U nom.) - 3,6V;

Litij polimer ( Li-Po, Li-polimer ili "lipo"). U nom. - 3,7 V;

Litij željezo fosfat ( Život ili LFP ). U nom. - 3,3 V.

Sve ove vrste litijevih baterija razlikuju se po materijalu katode ili elektrolita. Li-ion koristi katodu od litij kobaltata LiCoO2, Li-Po koristi gel polimerni elektrolit, a Li-Fe koristi litij ferofosfatnu katodu LiFePO 4.

Svaka litijeva baterija (ili uređaj u kojem radi) opremljena je malim elektroničkim sklopom - regulatorom punjenja/pražnjenja. Budući da su baterije na bazi litija vrlo osjetljive na prekomjerno punjenje i duboko pražnjenje, ovo je neophodno. Ako “razdvojite” bilo koju litijevu bateriju iz mobitela, u njoj možete pronaći mali elektronički sklop - to je zaštitni kontroler ( Zaštita IC ).

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

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

Litijske baterije, koje se sastoje od nekoliko ćelija povezanih u seriju, zahtijevaju složeni punjač opremljen balanserom. Ova je funkcionalnost implementirana, na primjer, u takvim univerzalnim punjačima kao što su Turnigy Accucell 6 i IMAX B6.

Za izjednačavanje napona između pojedinačnih ćelija tijekom punjenja kompozitne litijske baterije potreban je balanser. Zbog razlika među ćelijama, neke se mogu puniti brže, a druge sporije. Stoga se koristi poseban krug za ranžiranje struje punjenja.

Ovo je ožičenje za balansne i energetske kabele LiPo baterije od 11,1 V.

Kao što je poznato, prekomjerno punjenje ćelije litijske baterije (osobito Li-Polymer) iznad 4,2 V može dovesti do eksplozije ili spontanog sagorijevanja. Stoga je tijekom punjenja potrebno kontrolirati napon na svakoj ćeliji spojena baterija baterija!

Ispravno punjenje litijskih baterija.

Pune se litijeve baterije (Li-ion, Li-Po, Li-Fe). metodom CC/CV ("konstantna struja/konstantni napon"). Metoda je da se najprije, kada je napon na elementu nizak, napuni konstantnom strujom određene vrijednosti. Kada napon na ćeliji dosegne (npr. do 4,2 V - ovisi o vrsti baterije), regulator punjenja održava konstantan napon na njoj.

Prva razina punjenje litijske baterije - CC- provodi se putem povratne informacije. Regulator odabire napon na elementu tako da je struja punjenja strogo konstantna.

Tijekom prve faze punjenja, litijska baterija akumulira većinu energije (60 - 80%).

Druga faza naplatiti - CV- počinje kada napon na elementu dosegne određenu razinu praga (na primjer, 4,2 V). Nakon toga regulator jednostavno održava konstantan napon na elementu i daje mu potrebnu struju. Pred kraj punjenja struja se smanjuje na 30 - 10 mA. Pri ovoj struji element se smatra nabijenim.

Tijekom druge faze baterija akumulira preostalih 40 - 20% snage.

Vrijedno je napomenuti da prekoračenje napona praga na litijskoj bateriji može uzrokovati njezino pregrijavanje, pa čak i eksploziju!

Prilikom punjenja litijskih baterija preporuča se staviti ih u vatrostalnu vrećicu. To se posebno odnosi na baterije koje nemaju posebnu kutiju. Na primjer, oni koji se koriste u radio-kontroliranim modelima (modelarstvo automobila, zrakoplova).

Nedostaci litij-ionskih baterija.

Glavni i najstrašniji nedostatak baterija na bazi litija je njihova opasnost od požara ako se prekorači radni napon, pregrijavanje, nepravilno punjenje i nepismeni rad. Posebno mnogo pritužbi ima na litij-polimerske (Li-Polymer) baterije. No, litij željezo fosfatne (Li-Fe) baterije nemaju takvu negativnu osobinu – otporne su na vatru.

Također, litijske baterije se jako boje hladnoće - brzo gube kapacitet i prestaju se puniti. Ovo se odnosi na Li-ion i Li-Po baterije. Litij željezo fosfatne (Li-Fe) baterije su otpornije na mraz. Zapravo, ovo je jedna od pozitivnih osobina Li-Fe baterija.

Nedostatak litijevih baterija je što zahtijevaju poseban regulator punjenja – elektronički sklop. I u slučaju kompozitne baterije i balansera.

Kada se duboko isprazne, litijeve baterije gube svoja izvorna svojstva. Li-ion i Li-Po baterije posebno su osjetljive na duboko pražnjenje. Čak i nakon obnove, takva će baterija imati manji kapacitet.

Ako litijeva baterija ne "radi" dulje vrijeme, prvo će napon na njoj pasti na razinu praga (obično 3,2-3,3 V). Elektronički sklop će potpuno isključiti baterijsku ćeliju, a zatim će započeti duboko pražnjenje. Ako napon na ćeliji padne na 2,5 V, to može dovesti do njenog kvara.

Stoga se isplati s vremena na vrijeme napuniti baterije prijenosnih računala, mobitela i mp3 playera tijekom dugih razdoblja neaktivnosti.

Tipično, životni vijek obične litijske baterije je 3 - 5 godina. Nakon 3 godine, kapacitet baterije se počinje primjetno smanjivati.

Koje su vrste litijevih baterija i njihove značajke dizajna?

Litijske baterije čvrsto su zauzele nekoliko različitih niša na modernom tržištu. Uglavnom se koriste u svim vrstama potrošačke elektronike, prijenosnim alatima i mobilnim uređajima, kućanskim aparatima itd. Postoje čak i 12-voltne litijske baterije za automobile. Iako još nisu dobili široku upotrebu u automobilskoj industriji. Upotreba litijevih baterija u raznim sektorima nacionalnog gospodarstva dovela je do pojave mnogih varijanti ovih baterija na tržištu. U današnjem članku ćemo pogledati glavne vrste litijevih baterija.

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

Dakle, što se tiče snage i kapaciteta litijevih baterija. Ovdje je podjela prilično proizvoljna. Kako bi proizveli baterije različitih kapaciteta i s različitim strujama pražnjenja, proizvođači mijenjaju niz parametara. Na primjer, reguliraju debljinu sloja elektrodne mase na foliji (kod izvedbe u roli). U većini slučajeva ovaj sloj elektrode obložen je bakrenom (negativna elektroda) i aluminijskom (pozitivna) folijom. Zbog ovog povećanja sloja elektrode povećavaju se specifični parametri baterije.

Međutim, kod povećanja aktivne mase potrebno je smanjiti debljinu vodljive podloge (folije). Kao rezultat, baterija može propustiti manje struje bez pregrijavanja. Osim toga, povećanje sloja mase elektrode dovodi do povećanja otpora elementa. Da bi se smanjio otpor, često se za aktivnu masu koriste aktivnije i dispergirane tvari. Proizvođači se "igraju" s ovim parametrima kada proizvode baterije s određenim parametrima. Baterijska ćelija s tankom folijom i debelom aktivnom masom pokazuje visoke vrijednosti pohranjene energije. I njegova snaga će biti mala, i obrnuto. I to se može prilagoditi bez promjene veličine proizvoda.

Punjive baterije s različitim vrijednostima kapaciteta i struje pražnjenja dobivaju se promjenom sljedećih parametara:

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

Istodobno, modeli baterija dizajnirani za veću snagu opremljeni su strujnim vodovima većih veličina i težine. To se radi kako bi se spriječilo pregrijavanje. Također, za povećanje struje pražnjenja koriste se razne tvari koje se dodaju u elektrolit ili u elektrodnu masu. Baterije velikog kapaciteta obično imaju male strujne vodove. Izračunate su za struju pražnjenja do 2C (obično se struja punjenja i pražnjenja baterije označava njezinim kapacitetom) i struja punjenja do 0,5C. Za litijeve baterije velikog kapaciteta te su vrijednosti do 20C odnosno 40C.

Modeli litijskih baterija velike snage dizajnirani su za napajanje startera, a modeli velikog kapaciteta dizajnirani su za napajanje različite prijenosne opreme. Što se tiče razvoja litijevih baterija, proizvođači svih vrsta elektronike ih naručuju od posebnih tvrtki. Razvijaju ih uzimajući u obzir predložene uvjete, a zatim ih stavljaju u masovnu proizvodnju. Pri razvoju modernih litijevih baterija uzimaju se u obzir sljedeći parametri:

• Kapacitet;
• Standardna i maksimalna struja pražnjenja;
• Dimenzije;
• Uvjeti za smještaj unutar uređaja;
• Radna temperatura;
• Resurs (broj ciklusa punjenja i pražnjenja) i drugi.

Razni dizajni litijskih baterija

Na temelju svojih značajki dizajna, litijeve baterije mogu se podijeliti u dvije kategorije:

• Dizajn kućišta;
• Dizajn elektroda.

Dizajn elektroda

Vrsta role

Na slici ispod možete vidjeti Li-Ion bateriju s dizajnom u roli.

Elementi valjkaste strukture proizvode se u dvije vrste:

• Rola elektroda se uvija oko virtualne ploče. Jedno kućište može primiti nekoliko paralelno povezanih valjaka;
• Cilindričan. Raznih visina i promjera.

Roll dizajn se koristi tamo gdje su potrebni baterija malog kapaciteta i snaga. Ova tehnologija ima mali intenzitet rada, budući da je uvijanje elektrodnih traka i separatora potpuno automatizirano. Nedostatak ovog dizajna je slabo odvođenje topline s elektroda. Zapravo, toplina se uklanja samo kroz kraj elementa.

Iz kompleta elektroda

U proizvodnji prizmatičnih baterija koriste se litijeve baterije sastavljene od pojedinačnih elektroda.

Toplina se ovdje također odvodi s kraja elektrode. Proizvođači pokušavaju poboljšati odvođenje topline podešavanjem sastava i disperzije aktivne mase.

Projektiranje kućišta

Cilindričan

Vrijedno je obratiti pozornost na cilindrične litijske baterije. Naširoko se koriste u raznim kućanskim aparatima i elektronici. Posebno su popularne baterije.

Stručnjaci kao prednost cilindričnog tijela navode izostanak promjena volumena tijekom dugotrajnog korištenja. To se događa zbog činjenice da baterija lagano mijenja svoj volumen tijekom procesa punjenja i pražnjenja. Dizajn elektroda u takvom kućištu uvijek je valjak. Nedostaci uključuju slabo odvođenje topline.

Cilindrične litijeve baterije mogu imati sljedeće strujne priključke:

• Vijak bournes;
• Uobičajene kontaktne pločice.

Tamo gdje postoje veći zahtjevi za prikupljanje struje, koriste se vijci. Ovo je baterija s visokom strujom pražnjenja i velikim kapacitetom (više od 20 Ah). Brojni testovi pokazuju da cilindrične litijeve baterije s vijčanim baterijama mogu izdržati struju ne veću od 10-15C. A to su vrijednosti kratkotrajnog opterećenja, pri kojima se element brzo pregrijava. Tijekom dugotrajnog rada mogu izdržati struje pražnjenja od 2-3C. Uglavnom se koristi u prijenosnim električnim alatima.

Baterijske ćelije s kontaktnim jastučićima obično se koriste za izradu baterija. Da biste to učinili, zavareni su vrpcom otpornim zavarivanjem. Ponekad proizvođači već proizvode elemente s laticama za samostalno lemljenje. Štoviše, vrsta latica može biti različita ovisno o vrsti lemljenja.

Oznaka veličine za cilindrične litijeve baterije obično uključuje njihove dimenzije. Na primjer, 18650 litij-ionskih ćelija ima visinu od 65 mm i promjer od 18 mm.

Koji se široko koristi u modernoj potrošačkoj elektronici i nalazi svoju primjenu kao izvor energije u električnim vozilima i uređajima za pohranu energije u energetskim sustavima. Ovo je najpopularnija vrsta baterije u uređajima kao što su mobiteli, prijenosna računala, električna vozila, digitalni fotoaparati i kamkorderi. Prvu litij-ionsku bateriju izbacio je Sony 1991. godine.

Karakteristike

Ovisno o elektrokemijskom krugu, litij-ionske baterije pokazuju sljedeće karakteristike:

• Napon jednog elementa je 3,6 V.
• Maksimalni napon 4,2 V, minimalno 2,5–3,0 V. Uređaji za punjenje podržavaju napon u rasponu 4,05–4,2 V
• Gustoća energije: 110 … 230 W*h/kg
• Unutarnji otpor: 5 ... 15 mOhm/1Ah
• Broj ciklusa punjenja/pražnjenja do gubitka 20% kapaciteta: 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, pulsirajuća - do 500C
  • najprihvatljivije: do 1C
• Raspon radne temperature: −0 ... +60 °C (na minus temperaturama punjenje baterija nije moguće)

Uređaj

Litij-ionska baterija sastoji se od elektroda (katodni materijal na aluminijskoj foliji i anodni materijal na bakrenoj foliji) odvojenih poroznim separatorima impregniranim elektrolitom. Paket elektroda se nalazi u zatvorenom kućištu, katode i anode su spojene na priključke kolektora struje. Kućište ima sigurnosni ventil koji smanjuje unutarnji tlak u hitnim situacijama i kršenju radnih uvjeta. Litij-ionske baterije razlikuju se po vrsti korištenog katodnog materijala. Nositelj struje u litij-ionskoj bateriji je pozitivno nabijen litij-ion, koji ima sposobnost prodiranja (interkaliranja) u kristalnu rešetku drugih materijala (na primjer, u grafit, metalne okside i soli) kako bi stvorio kemijsku vezu, na primjer: u grafit uz stvaranje LiC6, oksida (LiMO 2) i soli (LiM R O N) metala. U početku se kao negativne ploče koristio metalni litij, a zatim ugljeni koks. Kasnije se počeo koristiti grafit. Donedavno su se kao pozitivne ploče koristili litijevi oksidi s kobaltom ili manganom, ali ih sve više zamjenjuju litijevi ferofosfati koji su se pokazali sigurnima, jeftinima i netoksičnima te se mogu reciklirati na ekološki prihvatljiv način. Litij-ionske baterije koriste se zajedno sa sustavom za nadzor i kontrolu - SKU ili BMS (battery management system) 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 njegovog izostrukturnog litij niklata - litij manganski spinel LiMn 2 O 4 - litij ferofosfat LiFePO 4. Elektrokemijski krugovi litij-ionskih baterija: litij-kobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 litij-ferofosfat LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

Zbog niskog samopražnjenja i velikog broja ciklusa punjenja i pražnjenja, Li-ion baterije su najpoželjnije za korištenje u alternativnoj energiji. Štoviše, osim BMS sustava (SKU), opremljeni su inverterima (pretvarači napona).

Prednosti

• Visoka gustoća energije.
• Nisko samopražnjenje.
• Nema efekta pamćenja.
• Nije potrebno održavanje.

Mane

Prva generacija Li-ion baterija bila je izložena eksplozivnim učincima. To je objašnjeno činjenicom da su koristili litijevu metalnu anodu, na kojoj su tijekom višestrukih ciklusa punjenja/pražnjenja nastajale prostorne formacije (dendriti), što je dovodilo do kratkog spoja elektroda i, kao rezultat, požara ili eksplozije. Taj je problem konačno riješen zamjenom anodnog materijala grafitom. Slični procesi dogodili su se na katodama litij-ionskih baterija na bazi kobalt oksida kada su radni uvjeti prekršeni (pretjerano punjenje). Litij-ferofosfatne baterije potpuno su oslobođene ovih nedostataka. Osim toga, sve moderne litij-ionske baterije imaju ugrađen elektronički sklop koji sprječava prekomjerno punjenje i pregrijavanje uslijed prekomjernog punjenja.

Li-ion baterije mogu imati kraći životni ciklus kada se nekontrolirano isprazne u usporedbi s drugim vrstama baterija. Kada su potpuno ispražnjene, litij-ionske baterije gube sposobnost punjenja kada se priključi napon za punjenje. Ovaj problem se može riješiti primjenom višeg naponskog impulsa, 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 na 15-20%. Ovaj način rada podržava BMS sustav za nadzor i kontrolu (SKU), koji je uključen u svaku litij-ionsku bateriju.

Optimalni uvjeti skladištenja za Li-ion baterije postižu se kada se pune na razini od 40–70% kapaciteta baterije i na temperaturi od oko 5 °C. Istovremeno, niska temperatura je važniji faktor za male gubitke kapaciteta tijekom dugotrajnog skladištenja. Prosječni vijek trajanja (službe) litij-ionske baterije je u prosjeku 36 mjeseci, iako se može kretati od 24 do 60 mjeseci.

Gubitak kapaciteta tijekom skladištenja:

temperatura	s 40% napunjenosti	sa 100% napunjenosti
0⁰C	2% godišnje	6% godišnje
25 ⁰C	4% godišnje	20% godišnje
40⁰C	15% godišnje	35% godišnje
60⁰C	25% godišnje	40% za tri mjeseca

Prema svim važećim propisima o skladištenju i radu litij-ionskih baterija, kako bi se osiguralo dugotrajno skladištenje, potrebno ih je napuniti do 70% kapaciteta jednom svakih 6-9 mjeseci.

vidi također

Bilješke

Književnost

• Khrustalev D. A. Baterije. M: Izumrud, 2003.
• Jurij Filippovski Mobilna hrana. Dio 2. (RU). ComputerLab (26. svibnja 2009.). - Detaljan članak o Li-ion baterijama. Preuzeto 26. svibnja 2009.

Linkovi

• GOST 15596-82 Termini i definicije.
• GOST 61960-2007 Punjive baterije i litijeve baterije
• Litij-ionske i litij-polimerske baterije. iXBT (2001)
• Domaće litij-ionske baterije

Galvanski članak	Galvanski članak Daniel | Alkalni element | | Suhi element | Element koncentracije | Element zraka cink | Westonov normalni element
Električne baterije	Olovna kiselina | Srebro-cink | Nikal-kadmij | Nikal metal hidrid | Nikal-cink baterija | Litij-ionski | Litij polimer | Litij željezni sulfid | Litij željezo fosfat | Litijev titanat | vanadij | Željezo-nikal
Gorive ćelije	Izravni metanol | Čvrsti oksid | Alkalna
Modeli	Baterija | Električna baterija | Goriva ćelija
Uređaj

Litij-ionske i litij-polimerske baterije

Inženjerska misao neprestano se razvija: potiču je problemi koji se stalno pojavljuju i za čije je rješavanje potreban razvoj novih tehnologija. Svojedobno su nikal-kadmijeve (NiCd) baterije zamijenile nikal-metal-hidridne (NiMH), a sada litij-ionske (Li-ion) baterije pokušavaju zamijeniti litij-ionske (Li-ion) baterije. NiMH baterije su u određenoj mjeri istisnule NiCd, ali zbog takvih neporecivih prednosti potonjih kao što su sposobnost isporuke velike struje, niske cijene i dugog vijeka trajanja, nisu mogle pružiti njihovu punu zamjenu. Ali što je s litijevim baterijama? Koje su njihove karakteristike i po čemu se razlikuju Li-pol baterije od Li-ion? Pokušajmo razumjeti ovo pitanje.

U pravilu, kada kupujemo mobilni telefon ili prijenosno računalo, svi ne razmišljamo o tome kakva je baterija unutra i po čemu se ti uređaji uopće razlikuju. I tek tada, nakon što smo se u praksi susreli 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, kratko ću odgovoriti - Li-ion. Sljedeće informacije namijenjene su znatiželjnicima.

Prvo, kratki izlet u povijest.

Prvi eksperimenti na stvaranju litijevih baterija započeli su 1912. godine, no tek šest desetljeća kasnije, početkom 70-ih, prvi su put uvedene u kućanske uređaje. Štoviše, da naglasim, to su bile samo baterije. Naknadni pokušaji razvoja litijskih baterija (punjivih baterija) propali su zbog sigurnosnih problema. Litij, najlakši od svih metala, ima najveći elektrokemijski potencijal i daje najveću gustoću energije. Baterije koje koriste metalne litijeve elektrode nude visok napon i odličan kapacitet. No, kao rezultat brojnih studija u 80-ima, utvrđeno je da ciklički rad (punjenje - pražnjenje) litijevih baterija dovodi do promjena u litij elektrodi, zbog čega se smanjuje toplinska stabilnost i postoji opasnost od toplinskog stanja izmicanje kontroli. Kada se to dogodi, temperatura elementa brzo se približava talištu litija - i počinje burna reakcija, paljenje oslobođenih plinova. Na primjer, veliki broj litijevih baterija za mobilne telefone isporučenih u Japan 1991. povučen je nakon nekoliko požara.

Zbog nestabilnosti svojstvene litiju, istraživači su svoju pozornost usmjerili na nemetalne litijeve baterije temeljene na litijevim ionima. Malo su izgubili na gustoći energije i poduzevši neke mjere opreza pri punjenju i pražnjenju, dobili su sigurnije takozvane Li-ion baterije.

Gustoća energije Li-ion baterija obično je dvostruko veća od standardnih NiCd, au budućnosti se, zahvaljujući primjeni novih aktivnih materijala, očekuje da će se još povećati i postići trostruku superiornost u odnosu na NiCd. Osim velikog kapaciteta, Li-ion baterije se u pražnjenju ponašaju slično kao NiCd (karakteristike pražnjenja su im slične po obliku, a razlikuju se samo po naponu).

Danas postoji mnogo varijanti Li-ion baterija i možete dugo razgovarati o prednostima i nedostacima jedne ili druge vrste, ali ih je nemoguće razlikovati po izgledu. Stoga ćemo primijetiti samo one prednosti i nedostatke koji su karakteristični za sve vrste ovih uređaja i razmotriti razloge koji su doveli do rođenja litij-polimerskih baterija.

Glavne prednosti.

• Visoka gustoća energije i, kao rezultat, veliki kapacitet s istim dimenzijama u usporedbi s baterijama na bazi nikla.
• Nisko samopražnjenje.
• Visoki napon jedne ćelije (3,6 V naspram 1,2 V za NiCd i NiMH), što pojednostavljuje dizajn - često se baterija sastoji od samo jedne ćelije. Mnogi proizvođači danas koriste upravo takvu jednoćelijsku bateriju u mobitelima (sjetimo se Nokije). Međutim, da bi se osigurala ista snaga, potrebna je veća struja. A to zahtijeva osiguranje niskog unutarnjeg otpora elementa.
• Niski troškovi održavanja (radni) rezultat su odsutnosti efekta pamćenja, što zahtijeva periodične cikluse pražnjenja za vraćanje kapaciteta.

Mane.

Tehnologija proizvodnje litij-ionskih baterija neprestano se poboljšava. Ažurira se otprilike svakih šest mjeseci i teško je razumjeti kako se nove baterije "ponašaju" nakon dugotrajnog skladištenja.

Jednom riječju, litij-ionska baterija bila bi dobra za sve da nije bilo problema s osiguranjem sigurnosti njezina rada i visokim troškovima. Pokušaji rješavanja ovih problema doveli su do pojave litij-polimerskih (Li-pol ili Li-polimer) baterija.

Njihova glavna razlika od Li-iona ogleda se u nazivu i leži u vrsti korištenog elektrolita. U početku, u 70-ima, korišten je suhi kruti polimerni elektrolit, sličan plastičnoj foliji i ne provodi električnu struju, ali omogućuje izmjenu iona (električno nabijenih atoma ili skupina atoma). Polimerni elektrolit učinkovito 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 programeri opreme mogu slobodno odabrati oblik, oblik i veličinu, uključujući i njegovu implementaciju u fragmente odjeće.

Ali do sada, nažalost, suhe Li-polimer baterije nemaju dovoljnu električnu vodljivost na sobnoj temperaturi. Njihov unutarnji otpor je prevelik 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 se povećava na prihvatljivu razinu, ali to nije prikladno za masovnu upotrebu.

Istraživači nastavljaju razvijati Li-polimer baterije sa suhim čvrstim elektrolitom koji radi na sobnoj temperaturi. Očekuje se da će takve baterije postati komercijalno dostupne do 2005. Bit će stabilne, dopuštat će 1000 punih ciklusa punjenja i pražnjenja i imati će veću gustoću energije od današnjih Li-ion baterija

U međuvremenu, neke vrste Li-polimerskih baterija sada se koriste kao rezervni izvori napajanja u vrućim klimama. Na primjer, neki proizvođači posebno instaliraju grijaće elemente koji održavaju povoljnu temperaturu za bateriju.

Možda se pitate: kako je to moguće? Li-polimer baterije se naveliko prodaju na tržištu, proizvođači njima opremaju telefone i računala, ali ovdje govorimo 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-polimerskih baterija, dodaje im se određena količina gelastog elektrolita. A većina Li-polimer baterija koje se danas koriste za mobilne telefone zapravo su hibridi jer sadrže elektrolit sličan gelu. Bilo bi točnije nazvati ih litij-ionskim polimerom. Ali većina ih proizvođača jednostavno označi kao Li-polimer u reklamne svrhe. Zaustavimo se detaljnije o ovoj vrsti litij-polimerskih baterija, jer su trenutno od najvećeg interesa.

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

Tehničke poteškoće i kašnjenja u povećanju proizvodnje odgodili su uvođenje litij-ionskih polimernih baterija. Razlog tome je, prema nekim stručnjacima, želja investitora koji su uložili mnogo novca u razvoj i masovnu proizvodnju Li-ion baterija da im se uloženo vrati. Stoga se ne žuri prijeći na nove tehnologije, iako će masovna proizvodnja Li-ion polimernih baterija biti jeftinija od litij-ionskih.

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

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

Vrijeme punjenja za sve Li-ion baterije s početnom strujom punjenja od 1C (brojčano jednako nominalnoj vrijednosti kapaciteta baterije) iznosi prosječno 3 sata. Potpuno punjenje se postiže kada je napon baterije jednak gornjem pragu i kada se struja punjenja smanji na razinu približno jednaku 3% početne vrijednosti. Baterija ostaje hladna tijekom punjenja. Kao što se može vidjeti iz grafikona, proces punjenja sastoji se od dvije faze. U prvom (malo više od sat vremena), napon raste pri gotovo konstantnoj početnoj struji punjenja od 1C dok se prvi put ne dosegne gornji prag napona. U ovom trenutku baterija je napunjena do približno 70% svog kapaciteta. Na početku drugog stupnja napon ostaje gotovo konstantan, a struja se smanjuje dok ne dosegne gornjih 3%. Nakon toga punjenje potpuno prestaje.

Ako bateriju trebate držati napunjenu cijelo vrijeme, preporuča se ponovno punjenje nakon 500 sati ili 20 dana. Obično se provodi kada napon na stezaljkama baterije padne na 4,05 V i prestaje kada dosegne 4,2 V

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

Procesi punjenja u Li-polimer baterijama gotovo su identični gore opisanim, tako da potrošač nema apsolutno nikakvu potrebu znati koju od dvije vrste baterija ima u rukama. I svi oni punjači koje je koristio za Li-ion baterije su pogodni za Li-polimer.

A sada o uvjetima pražnjenja. Tipično, Li-ion baterije se prazne do vrijednosti od 3,0 V po ćeliji, iako je za neke varijante donji prag 2,5 V. Proizvođači opreme s baterijskim napajanjem obično dizajniraju uređaje s pragom isključivanja od 3,0 V (za sve prilike). Što to znači? Napon na bateriji postupno opada kada je telefon uključen, a čim dosegne 3,0 V, uređaj će vas upozoriti i isključiti se. No, to ne znači da je prestao trošiti energiju iz baterije. Energija, iako mala, potrebna je za otkrivanje pritiska na tipku za uključivanje telefona i neke druge funkcije. Osim toga, energiju troši vlastiti unutarnji kontrolni i zaštitni krug, a samopražnjenje, iako malo, još uvijek je tipično čak i za baterije na bazi litija. Kao rezultat toga, ako se litijeve baterije ostave dulje vrijeme bez ponovnog punjenja, napon na njima pada ispod 2,5 V, što je vrlo loše. U tom slučaju, unutarnja kontrola i zaštitni krug mogu biti onemogućeni, a neće svi punjači moći puniti takve baterije. Osim toga, duboko pražnjenje negativno utječe na unutarnju strukturu same baterije. Potpuno ispražnjena baterija mora se puniti u prvom stupnju strujom od samo 0,1C. Ukratko, baterije više vole biti napunjene nego ispražnjene.

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

Općenito, Li-ion baterije najbolje rade na sobnoj temperaturi. Rad u toplijim uvjetima ozbiljno će smanjiti njihov vijek trajanja. Iako npr. olovni akumulator ima najveći kapacitet na temperaturama iznad 30 °C, dugotrajan rad u takvim uvjetima skraćuje vijek trajanja akumulatora. Isto tako, Li-ion radi bolje na visokim temperaturama, što u početku sprječava povećanje unutarnjeg otpora baterije koje je rezultat starenja. Ali povećana proizvodnja energije je kratkog vijeka, jer povećanje temperature, zauzvrat, potiče ubrzano starenje, praćeno daljnjim povećanjem unutarnjeg otpora.

Jedina iznimka trenutno su litij-polimerske baterije sa suhim čvrstim polimernim elektrolitom. Potrebna im je životna temperatura od 60 °C do 100 °C. I takve su baterije pronašle svoju nišu na tržištu rezervnih izvora u vrućim klimatskim uvjetima. Smješteni su u toplinski izolirano kućište s ugrađenim grijačima napajanim iz vanjske mreže. Li-ion polimer baterije kao pomoćna kopija smatraju se boljim u kapacitetu i izdržljivosti od VRLA baterija, posebno u uvjetima na terenu gdje kontrola temperature nije moguća. Ali njihova visoka cijena ostaje ograničavajući faktor.

Na niskim temperaturama učinkovitost baterija svih elektrokemijskih sustava naglo pada. Dok NiMH, SLA i Li-ion baterije prestaju raditi na -20°C, NiCd baterije nastavljaju raditi do -40°C. Samo da napomenem da je opet riječ samo o baterijama široke namjene.

Važno je zapamtiti da iako baterija može raditi na niskim temperaturama, to ne znači da se može puniti i u tim uvjetima. Odziv većine baterija na vrlo niskim temperaturama je vrlo ograničen, a struja punjenja u tim slučajevima treba biti smanjena na 0,1 C.

Na kraju bih želio napomenuti da na forumu u podforumu pribora možete postavljati pitanja i raspravljati o problemima vezanim uz Li-ion, Li-polymer, kao i druge vrste baterija.

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

Dopušteni temperaturni rasponi za punjenje i pražnjenje litij-ionskih baterija

Značajke testiranja

Ispitivanja broja ciklusa provedena su sa strujom pražnjenja od 1C; za svaku bateriju ciklusi pražnjenja/punjenja su provedeni dok se ne postigne 80% kapaciteta. Ovaj broj je odabran na temelju vremena testa i za moguću usporedbu rezultata kasnije. Broj punih ekvivalentnih ciklusa je do 7500 u nekim testovima.
Provedena su ispitivanja životnog vijeka pri različitim razinama punjenja i temperaturama, mjerenje napona vršeno je svakih 40-50 dana za praćenje pražnjenja, trajanje ispitivanja je bilo 400-500 dana.

Glavna poteškoća u eksperimentima je neslaganje između deklariranog kapaciteta i stvarnog. Sve baterije imaju kapacitet veći od navedenog, u rasponu od 0,1% do 5%, što unosi dodatni element nepredvidivosti.

Najčešće su korištene NCA i NMC baterije, no testirane su i litij kobaltne i litij fosfatne baterije.

Nekoliko termina:
DoD - Depth of Discharge - dubina pražnjenja.
SoC - State of Charge - razina napunjenosti.

Korištenje baterija

Broj ciklusa

Trenutno postoji teorija da ovisnost broja ciklusa koje baterija može izdržati o stupnju pražnjenja baterije u ciklusu ima sljedeći oblik (ciklusi pražnjenja označeni su plavom bojom, ekvivalentni puni ciklusi označeni su u crno):

Ova krivulja se naziva Wöhlerova krivulja. Glavna ideja dolazi iz mehanike o ovisnosti broja rastezanja opruge o stupnju rastezanja. Početna vrijednost od 3000 ciklusa pri 100% pražnjenju baterije je ponderirani prosjek pri pražnjenju od 0,1 C. Neke baterije pokazuju bolje rezultate, neke lošije. Pri struji od 1C, broj punih ciklusa pri 100% pražnjenju pada s 3000 na 1000-1500, ovisno o proizvođaču.

Općenito, ovaj odnos, prikazan u grafikonima, potvrđen je rezultatima pokusa, jer Preporučljivo je puniti bateriju kad god je to moguće.

Izračun superpozicije ciklusa

Pri korištenju baterija moguće je raditi s dva ciklusa istovremeno (primjerice, regenerativno kočenje u automobilu):


To rezultira sljedećim kombiniranim ciklusom:


Postavlja se pitanje, kako to utječe na rad baterije, je li vijek trajanja baterije značajno smanjen?

Prema rezultatima pokusa, kombinirani ciklus pokazao je rezultate slične zbrajanju potpunih ekvivalentnih ciklusa dva neovisna ciklusa. Oni. Relativni kapacitet baterije u kombiniranom ciklusu pao je prema zbroju pražnjenja u malim i velikim ciklusima (linearizirani graf prikazan je u nastavku).


Učinak velikih ciklusa pražnjenja je značajniji, što znači da je bateriju bolje puniti u svakoj prilici.

Efekt pamćenja

Učinak pamćenja litij-ionskih baterija nije uočen prema eksperimentalnim rezultatima. U različitim režimima, njegov ukupni kapacitet se još uvijek nije naknadno promijenio. Istodobno, postoji niz studija koje potvrđuju prisutnost ovog učinka u litij fosfatnim i litij titan baterijama.

Skladištenje baterije

Temperature skladištenja

Ovdje nisu napravljena nikakva neobična otkrića. Temperature 20-25°C je optimalno (u normalnom životu) za skladištenje baterije, ako se ne koristi. Prilikom skladištenja baterije na temperaturi od 50°C, degradacija kapaciteta događa se gotovo 6 puta brže.
Naravno, niže temperature su bolje za skladištenje, ali u svakodnevnom životu to znači posebno hlađenje. Budući da je temperatura zraka u stanu obično 20-25°C, skladištenje će najvjerojatnije biti na ovoj temperaturi.

Razina napunjenosti

Kako su testovi pokazali, što je napunjenost niža, to je sporije samopražnjenje baterije. Mjeren je kapacitet baterije koliki će biti u daljnjem korištenju nakon dugotrajnog skladištenja. Najbolje rezultate pokazale su baterije koje su bile pohranjene s napunjenošću blizu nule.
Općenito, dobre rezultate pokazale su baterije koje su bile pohranjene s ne višom od 60% razine napunjenosti na početku skladištenja. Brojevi se razlikuju od onih ispod za 100% punjenje na gore (tj. baterija će postati neupotrebljiva prije nego što je prikazano na slici):

Slika preuzeta iz članka 5 praktičnih savjeta za korištenje litij-ionskih baterija
U isto vrijeme, brojke za malo punjenje su optimističnije (94% nakon godinu dana na 40°C za skladištenje na 40% SOC).
Budući da je punjenje od 10% nepraktično, jer je vrijeme rada na ovoj razini vrlo kratko, Optimalno je čuvati baterije na SOC 60%, što će vam omogućiti da ga koristite u bilo kojem trenutku i neće kritično utjecati na njegov vijek trajanja.

Glavni problemi eksperimentalnih rezultata

Nitko nije proveo testove koji se mogu smatrati 100% pouzdanima. Uzorak, u pravilu, ne prelazi nekoliko tisuća baterija od milijuna proizvedenih. Većina istraživača nije u mogućnosti pružiti pouzdane usporedne analize zbog nedovoljnog uzorkovanja. Također, rezultati ovih eksperimenata često su povjerljive informacije. Stoga se ove preporuke ne moraju nužno odnositi na vašu bateriju, ali se mogu smatrati optimalnima.

Rezultati pokusa

Optimalna učestalost punjenja - u svakoj prilici.
Optimalni uvjeti skladištenja su 20-25°C sa 60% napunjenosti baterije.

Izvori

1. Tečaj “Battery Storage Systems”, RWTH Aachen, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer