Litij baterije

Litij ili litij-ion (Li-ion) baterije se uglavnom nalaze u mobitelima, prijenosnim računalima i kamkorderima. Proizvodi su skupi, baterije također, pa s njima treba rukovati još kompetentnije nego s bilo kojim drugim baterijama. Dakle, koja je snaga litij-iona? Ovdje vjerojatno ima još više glasina i mitova. Prvo, počinje se pojavljivati ​​samo od sebe, makar samo zato što prodavači opreme s litij-ionskim baterijama ne daju posebne oproštajne riječi, govoreći da je baterija "pametna" i da će sve učiniti kako treba. Ali ne sama. Uostalom, toliko je slučajeva kada su vlasnici novih prijenosnih računala u mjesec dana bateriju učinili neupotrebljivom, a zatim dobro platili novu bateriju. Naravno, litijeve baterije su skupe jer su punjene elektronikom, ali, nažalost, to vas ne spašava od budale.

Ponovno pražnjenje

Kao iu slučaju nikalnih baterija, litij baterije se također jako boje prepunjavanja i prekomjernog pražnjenja. No, budući da se te baterije koriste u pametnim uređajima i opremljene su vlastitim punjačima, njihova elektronika ne dopušta prekomjerno punjenje – dakle. ne možeš ga se bojati. Ali prekomjerno pražnjenje je teže kontrolirati, zbog čega je najtipičniji uzrok ranog kvara baterije. Naravno, kod skupih i složenih uređaja, poput prijenosnih računala, do gašenja dolazi prije nego što napon padne na kritičnu vrijednost. Ali presedani pokazuju da je ovo isključenje u nuždi najbolje promatrati kao hitnu mjeru, na koju je, ako je moguće, bolje ne navoditi. Ovo je najvažnije pravilo za izbjegavanje potpunog pražnjenja jer nizak napon može onemogućiti sigurnosni krug. Događa se da ljudi "ubijaju" baterije, poneseni treningom. Trening je dobra stvar, ali za litij baterije su dovoljna 2-3 puna ciklusa.

Litij baterije nemaju efekt pamćenja, pa se mogu napuniti u bilo kojem trenutku pa je najbolje da vam baterije ne ostanu bez učinka nakon treninga. Preporučeni donji prag je 5-10%. Kritični donji prag je 3%.

Mnogi nepotpuni ciklusi ili jedan potpun

Litij baterije imaju životni vijek od približno 300 ciklusa. Puni ciklus se smatra ciklusom punog punjenja i punog (tj. do oko 3% kapaciteta) pražnjenja, ili obrnuto. Ako ispraznite bateriju do 50% i zatim je napunite, onda će biti 1/2 ciklusa, ako je do 75% i napunite je - 1/4 ciklusa itd. Dakle, za telefone i prijenosna računala, razlika u prednostima između punih i nepotpunih ciklusa je različita. Na internetu se tvrdoglavo tvrdi da je puno ljudi punilo svoje telefone nepotpunim pražnjenjem (odnosno svaki dan su punili telefon) i na kraju ih uništili. Istodobno, za prijenosna računala pouzdano je poznato da puni ciklusi troše bateriju brže od nepotpunih. Situacija postaje jasnija detaljnim pregledom Li-ion baterija uređaja (vidi dodatne materijale). Ispada da puno ovisi o kontroloru. On je taj koji kontrolira struju punjenja, prati stanje baterije itd. Dakle, u prijenosnim računalima, kontroler se nalazi u samoj bateriji i podešava ga uslužni programi sustava, kao što je kalibracija. U mobitelima se kontroler nalazi u samom telefonu i nije ga lako podesiti. Iako litijeve baterije nemaju memorijski efekt, postoji takozvani "digitalni memorijski" efekt. Činjenica je da elektronika za upravljanje punjenjem i pražnjenjem, smještena u samoj bateriji, radi neovisno o uređaju koji koristi bateriju. Unutarnja elektronika prati razinu napona ćelije, prekida punjenje kada se postigne postavljena maksimalna vrijednost (uzimajući u obzir promjenu napona zbog struje punjenja i temperature baterije), prekida pražnjenje kada se dosegne kritična vrijednost i javlja ovo "gore" (za ove namjene, veliki raspon specijaliziranih mikročipova). Sustav za praćenje baterije "gore" izračunava razinu napunjenosti na temelju informacija o trenucima isključivanja punjenja i pražnjenja iz baterije i očitanja trenutnog mjernog sustava. Ali ako su uvjeti rada takvi da se potpuno pražnjenje prije isključivanja hardvera ili potpunog punjenja ne dogodi, ovi izračuni nakon nekoliko ciklusa možda neće biti sasvim točni - kapacitet baterije se s vremenom smanjuje, a očitanja trenutnog mjerača možda neće uvijek odgovarati na stvarnost. Obično odstupanja ne prelaze jedan posto za svaki ciklus, osim ako tijekom rada nije došlo do ozbiljnih promjena, na primjer, s kvarom jedne od baterijskih ćelija. Sustav za nadzor ima mogućnost "učenja", odnosno preračunavanja vrijednosti ukupnog kapaciteta baterije, ali za to je potrebno izvršiti barem jedan puni ciklus punjenja-pražnjenja prije hardverskih sklopova same baterije. aktivirati. Dakle, ispada da s vrlo čestim ciklusima, regulator zaluta, te stoga pogrešno izračunava napunjenost baterije i vrši pogrešno punjenje, zbog čega se baterija pogoršava. Za razliku od prijenosnog računala, telefon se ne može ponovno kalibrirati. Sve što ostaje u ovom slučaju je napraviti nekoliko punih ciklusa kako bi se kontroler doveo u red. Preporučujem, idealno, kombiniranje punih i djelomičnih ciklusa, pridržavajući se principa "zlatne sredine". Osobno sam to učinio sa svojim mobitelom - kao rezultat toga, nakon 2 godine rada, pad kapaciteta nije bio veći od 40%, što je norma. Djelomično vrijeme ne štedi ni litijeve baterije – one se s vremenom troše, bez obzira na rad; njihova starost je kratka i razumno je mijenjati baterije svake 2-3 godine.

Skladištenje

Kada se baterija ne koristi, preporuča se čuvati je na hladnom mjestu na 40% kapaciteta. Donja temperaturna granica za skladištenje i rad je 00 C. Općenito, litijeve baterije se vole puniti, t.j. bolje ih je pohraniti i držati u napunjenom stanju, za razliku od onih od nikla. Ali kod dugotrajnog skladištenja, maksimalno punjenje i dalje više troši bateriju, pa se 40% napunjenosti smatra optimalnim stanjem.

Reanimacija baterije

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

Za mobitele: kombinirajte potpune i djelomične cikluse (u omjeru "X3").
Za prijenosna računala: što manje punih ciklusa (poslije treninga).
Za sve: preporuča se raditi 80% ciklusa; ne dopuštaju potpuno pražnjenje (ispod 3%).

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

Izbjegavajte 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 izračunavaju vijek trajanja litij-ionske baterije prema broju ciklusa punog pražnjenja (do 0%). Za visokokvalitetne baterije 400-600 ciklusa. Da biste produžili vijek trajanja svoje litij-ionske baterije, češće punite telefon. Optimalno, čim indikator 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 ovisnost broja ciklusa pražnjenja litij-ionske baterije o dubini pražnjenja:

Pražnjenje jednom svaka 3 mjeseca. Puno punjenje tijekom dugog vremenskog razdoblja jednako je loše za litij-ionske baterije, kao i stalno pražnjenje na nulu.
Zbog izrazito nestabilnog procesa punjenja (telefon često punimo po potrebi, a gdje radi, iz USB-a, iz zidne utičnice, iz vanjske baterije itd.), stručnjaci preporučuju potpuno pražnjenje baterije jednom svaka 3 mjeseca i nakon koji se napajaju do 100% i drže na punjenju 8-12 sati. To pomaže resetiranju takozvanih oznaka visoke i niske baterije. Više o tome možete pročitati.

Spremite djelomično napunjeno. Optimalno stanje za dugotrajno skladištenje litij-ionske baterije je između 30 i 50 posto napunjenosti na 15°C. Ako ostavite bateriju potpuno napunjenu, njezin će se kapacitet s vremenom značajno smanjiti. No baterija, koja je dugo skupljala prašinu na polici ispražnjena na nulu, najvjerojatnije više nije stanar - vrijeme je da je pošaljete na recikliranje.
Donja tablica pokazuje koliki je kapacitet preostao 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 AC 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 sumnjive kvalitete umjesto originalnog može negativno utjecati na performanse baterije.

Izbjegavajte pregrijavanje. Pa, najgori neprijatelj litij-ionskih baterija je visoka temperatura – one uopće ne podnose pregrijavanje. Stoga ne izlažite mobilne uređaje izravnoj sunčevoj svjetlosti i ne ostavljajte ih u neposrednoj blizini izvora topline poput električnih grijača. Najveće dopuštene temperature pri kojima je moguća uporaba litij-ionskih baterija: -40°C do +50°C

Također, možete vidjeti

Litij-ionske baterije koriste se u modernim mobitelima, prijenosnim računalima, tabletima. Postupno su izbacili alkalne baterije s tržišta prijenosne elektronike. Prije su svi ovi uređaji koristili nikal-kadmij i nikal-metal hidridne baterije. Ali njihovi dani su prošli jer Li─Ion baterije imaju bolje performanse. Istina, oni ne mogu zamijeniti alkalne u svakom pogledu. Njima su npr. nedostižne struje koje mogu proizvesti nikal-kadmijeve baterije. Za snagu pametnih telefona i tableta to nije kritično. Međutim, u području prijenosnih električnih alata koji troše veliku struju, još uvijek se koriste alkalne baterije. Međutim, nastavlja se rad na razvoju baterija s visokim strujama pražnjenja bez kadmija. Danas ćemo govoriti o litij-ionskim baterijama, njihovom dizajnu, radu i perspektivama razvoja.

Prve baterije s litijskom anodom proizvedene su sedamdesetih godina prošlog stoljeća. Imali su visok specifični energetski intenzitet, što ih je odmah učinilo traženim. Stručnjaci su dugo nastojali razviti izvor alkalijskih metala koji ima visoku aktivnost. Zahvaljujući tome postignut je visok napon ove vrste baterija i specifična energija. Istodobno, razvoj dizajna takvih elemenata dovršen je prilično brzo, ali je njihova praktična uporaba izazvala poteškoće. Uspjeli su se snaći tek 90-ih godina prošlog stoljeća.

Tijekom ovih 20 godina istraživači su došli do zaključka da je glavni problem litijeva elektroda. Ovaj metal je vrlo aktivan i tijekom rada dogodio se niz procesa koji su na kraju doveli do paljenja. To se počelo nazvati ventilacijom plamena. Zbog toga su početkom 90-ih proizvođači bili prisiljeni povući baterije proizvedene za mobilne telefone.

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

Metalni litij je izrazito nestabilan, osobito pri punjenju i pražnjenju. Stoga su istraživači počeli stvarati litijsku bateriju bez upotrebe litija. Počeli su se koristiti ioni ovog alkalnog metala. Odatle im je došlo i ime.

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

Reakcije se odvijaju u Li─Ion bateriji

Proboj u smjeru uvođenja litij-ionskih baterija u potrošačku elektroniku bio je razvoj baterija, u kojima je negativna elektroda bila izrađena od ugljičnog materijala. Kristalna rešetka ugljika vrlo je prikladna kao matrica za interkalaciju litijevih iona. Za povećanje napona baterije, pozitivna elektroda je izrađena od kobalt oksida. Potencijal tiskanog kobalt oksida je približno 4 volta.

Radni napon većine litij-ionskih baterija je 3 volta ili više. Tijekom pražnjenja na negativnoj elektrodi, litij se deinterkalira iz ugljika i interkalira u kobaltov oksid pozitivne elektrode. Tijekom procesa punjenja, procesi se odvijaju obrnuto. Ispada da u sustavu nema metalnog litija, ali rade njegovi ioni koji se kreću s jedne elektrode na drugu stvarajući električnu struju.

Reakcije na negativnoj elektrodi

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

Tijekom interkalacije, litijevi ioni razmiču slojeve ugljika, prodiru između njih. Dobivaju se različiti interkalati. Tijekom interkalacije i deinterkalacije specifični volumen ugljične matrice se neznatno mijenja. U negativnoj elektrodi, osim ugljičnog materijala, mogu se koristiti srebro, kositar i njihove legure. Također pokušavaju koristiti kompozitne materijale sa silicijem, kositrovim sulfidima, spojevima kobalta itd.

Reakcije na pozitivnoj elektrodi

U primarnim litijskim ćelijama (baterijama), za izradu pozitivne elektrode često se koriste različiti materijali. Kod baterija se to ne može učiniti i izbor materijala je ograničen. Stoga je pozitivna elektroda Li─Ion baterije izrađena od litiziranog nikalnog ili kobalt oksida. Također se mogu koristiti litij-manganski spineli.

Danas su u tijeku istraživanja materijala od miješanih fosfata ili oksida za katodu. Kao što su stručnjaci uspjeli dokazati, takvi materijali poboljšavaju električne karakteristike litij-ionskih baterija. Također se razvijaju metode za taloženje oksida na površini katode.

Reakcije koje se odvijaju u litij-ionskoj bateriji tijekom punjenja mogu se opisati sljedećim jednadžbama:

pozitivna elektroda

LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe -

negativna elektroda

C + xLi + + xe - → CLi x

Tijekom procesa pražnjenja, reakcije se odvijaju u suprotnom smjeru.

Slika ispod shematski prikazuje procese koji se događaju u litij-ionskoj bateriji tijekom punjenja i pražnjenja.

Uređaj litij-ionske baterije

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

Pozitivni kontakt je prikazan u obliku jastučića na kraju baterije.

Li─Ion baterije prizmatičnog dizajna izrađuju se slaganjem pravokutnih ploča jedna na drugu. Takve baterije omogućuju gušću ambalažu. Poteškoća leži u održavanju tlačne sile na elektrodama. Postoje prizmatične baterije s kolutnim sklopom elektroda uvijenih u spiralu.

Sve litij-ionske baterije dizajnirane su s mjerama koje osiguravaju njihov siguran rad. Prije svega, to se odnosi na sprječavanje zagrijavanja i paljenja. Ispod poklopca baterije ugrađen je mehanizam koji povećava otpor baterije s povećanjem temperaturnog koeficijenta. Kada tlak unutar baterije poraste iznad dopuštene granice, mehanizam razbija pozitivni terminal i katodu.

Osim toga, za povećanje sigurnosti rada u Li-Ion baterijama, obvezna je elektronička ploča. Njegova je svrha kontrolirati procese punjenja i pražnjenja, isključiti pregrijavanje i kratke spojeve.

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

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

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

A o / A n \u003d 1.1, gdje

A o je aktivna masa negativne elektrode;

A p je aktivna masa pozitivne elektrode.

Ova ravnoteža sprječava stvaranje litija (čistog metala) i eliminira paljenje.

Parametri Li-Ion baterija

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

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

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

Sada razgovarajmo o značajkama rada litij-ionskih baterija.

Rad litij-ionskih baterija

Punjenje Li─Ion baterija

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

Postupno su ovi nedostaci otklonjeni legiranjem grafita s raznim dodacima. Moderne litij-ionske ćelije pune se do 4,2 volta bez problema. Greška je 0,05 volti po ćeliji. Postoje skupine Li─Ion baterija za vojni i industrijski sektor, gdje je potrebna povećana pouzdanost i dug radni vijek. Za takve baterije maksimalni napon po ćeliji je 3,90 volti. Imaju nešto manju gustoću energije, ali produženi vijek trajanja.

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

Donji grafikon prikazuje faze punjenja Li─Ion baterije.

Proces punjenja sastoji se od sljedećih koraka:

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

Što se tiče mlaznog punjenja, ono nije primjenjivo za litij-ionske baterije. To je zato što ova vrsta baterije ne može apsorbirati višak energije prilikom ponovnog punjenja. Mlazno punjenje može dovesti do prijelaza dijela litijevih iona u metalno stanje (valencija 0).

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

Vrijedi napomenuti slabu otpornost litij-ionskih baterija na prekomjerno punjenje. Kao rezultat primjene viška naboja na ugljičnu matricu (negativna elektroda), može početi taloženje metalnog litija. Ima vrlo visoku kemijsku aktivnost i interakciju s elektrolitom. Kao rezultat toga, na katodi počinje razvijanje kisika, što prijeti povećanjem tlaka u kućištu i smanjenjem tlaka. Stoga, ako punite Li─Ion ćeliju zaobilazeći regulator, nemojte dopustiti da napon poraste kada punite više od preporučenog od strane proizvođača baterije. Ako bateriju stalno punite, njezin životni vijek će se skratiti.

Proizvođači posvećuju ozbiljnu pozornost sigurnosti Li-Ion baterija. Punjenje prestaje kada napon poraste iznad dopuštene razine. Također je instaliran mehanizam za isključivanje punjenja kada temperatura baterije poraste iznad 90 Celzija. Neki moderni modeli baterija imaju mehanički prekidač tipa u svom dizajnu. Pokreće se povećanjem tlaka unutar kućišta baterije. Mehanizam kontrole napona elektroničke ploče odspaja staklenku od vanjskog svijeta minimalnim i maksimalnim naponom.

Postoje litij-ionske baterije bez zaštite. To su modeli koji u svom sastavu sadrže mangan. Ovaj element, kada je previše napunjen, doprinosi inhibiciji metalizacije litija i oslobađanju kisika. Stoga u takvim baterijama zaštita postaje nepotrebna.

Karakteristike skladištenja i pražnjenja litij-ionskih baterija

Litij baterije se dosta dobro čuvaju i samopražnjenje godišnje je samo 10-20%, ovisno o uvjetima skladištenja. Ali u isto vrijeme, degradacija baterijskih ćelija se nastavlja čak i ako se ne koristi. Općenito, svi električni parametri litij-ionske baterije mogu se razlikovati za svaki pojedinačni slučaj.

Na primjer, napon tijekom pražnjenja varira ovisno o stupnju napunjenosti, struji, temperaturi okoline itd. Na vijek trajanja baterije utječu struje i načini ciklusa pražnjenje-punjenje, temperatura. Jedan od glavnih nedostataka Li-Ion baterija je njihova osjetljivost na način punjenja-pražnjenja, zbog čega pružaju mnogo različitih vrsta zaštite.

Donji grafikoni pokazuju karakteristike pražnjenja litij-ionskih baterija. Oni razmatraju ovisnost napona o struji pražnjenja i temperaturi okoline.

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

U modernim mobitelima, fotoaparatima i drugim uređajima najčešće se koriste litij-ionske baterije koje zamjenjuju alkalne i nikal-kadmijeve baterije koje su po mnogočemu superiornije. Po prvi put baterije s litijskom anodom pojavile su se 70-ih godina prošlog stoljeća i odmah postale vrlo popularne zbog visokog napona i energetske intenzivnosti.

Povijest izgleda

Razvoj je bio kratkotrajan, ali na praktičnoj razini pojavile su se poteškoće koje su riješene tek 90-ih godina prošlog stoljeća. Zbog visoke aktivnosti litija unutar stanice su se odvijali kemijski procesi koji su doveli do paljenja.

Početkom 90-ih dogodio se niz nesreća - korisnici telefona su tijekom razgovora zadobili teške opekline uslijed spontanog zapaljenja elemenata, a potom i samih komunikacijskih uređaja. S tim u vezi baterije su u potpunosti ukinute, a prethodno puštene vraćene iz prodaje.

Moderne litij-ionske baterije ne koriste čisti metal, već samo njegove ionizirane spojeve, jer su stabilnije. Nažalost, znanstvenici su morali ići na značajno smanjenje kapaciteta baterije, ali uspjeli su postići glavnu stvar - ljudi više nisu patili od opeklina.

Kristalna rešetka različitih ugljikovih spojeva pokazala se prikladnom za interkalaciju litijevih iona na negativnoj elektrodi. Prilikom punjenja prelaze s anode na katodu, a pri pražnjenju obrnuto.

Princip rada i sorte

U svakoj litij-ionskoj bateriji negativna elektroda temelji se na tvarima koje sadrže ugljik, čija se struktura može naručiti ili djelomično naručiti. Ovisno o materijalu, proces interkalacije Li u C varira. Pozitivna elektroda je uglavnom izrađena od obloženog nikalnog ili kobalt oksida.

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

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

Jednadžbe su prikazane za slučaj pražnjenja; pri punjenju one teku u suprotnom smjeru. Znanstvenici rade na proučavanju novih materijala koji se sastoje od miješanih fosfata i oksida. Ovi materijali se planiraju koristiti za katodu.

Postoje dvije vrste Li-Ion baterija:

1. cilindričan;
2. prizmatičan.

Glavna razlika je raspored ploča (u prizmatičnom - jedna na drugu). O tome ovisi veličina litij baterije. Prizmatični su u pravilu gušći i kompaktniji.

Osim toga, unutra se nalazi sigurnosni sustav - mehanizam koji povećava otpor kako temperatura raste, te prekida anodno-katodni krug pri povišenom tlaku. Zahvaljujući elektroničkoj ploči, krug postaje nemoguć, jer kontrolira procese unutar baterije.

Elektrode suprotnog polariteta razdvojene su separatorom. Kućište mora biti hermetično, curenje elektrolita ili ulazak vode i kisika uništit će i bateriju i sam elektronički nosač.

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

Prednosti i nedostatci

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

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

Punjenje se odvija u nekoliko faza:

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

Kada se skladišti otprilike svakih 500 sati, potrebno je periodično punjenje kako bi se kompenziralo samopražnjenje. Prilikom prekomjernog punjenja može se taložiti metalni litij, koji u interakciji s elektrolitom stvara kisik. To povećava rizik od smanjenja tlaka zbog povećanog unutarnjeg tlaka.

Često punjenje uvelike skraćuje vijek trajanja baterije. Osim toga, utječe na okoliš, temperatura, struja itd.

Element ima nedostatke, među kojima su sljedeće:

Radni uvjeti

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

Znanstvenici su izmislili način kako produžiti rok trajanja. U elektrolit se dodaje odgovarajući konzervans. Međutim, takve baterije treba "obučiti" u obliku 2-3 puna ciklusa pražnjenja / punjenja kako bi kasnije mogle raditi u normalnom načinu rada. Inače, može doći do "efekta pamćenja" i naknadnog oticanja cijele strukture. Uz pravilnu uporabu i poštivanje svih standarda pohrane, baterija može trajati dugo, dok će njezin kapacitet ostati na visokoj razini.

Procesi punjenja i pražnjenja bilo koje baterije odvijaju se kao kemijska reakcija. Međutim, punjenje litij-ionskih baterija je iznimka od pravila. Znanstvene studije pokazuju energiju takvih baterija kao što je kaotično kretanje iona. Tvrdnje stručnjaka zaslužuju pažnju. Ako je znanstveno ispravno puniti litij-ionske baterije, onda bi ti uređaji trebali trajati zauvijek.

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

Stoga, kao što je slučaj s drugim sličnim sustavima, litij-ionski uređaji nisu imuni na kvarove u procesu njihove primjene u praksi.

Punjači za Li-ion dizajn imaju neke sličnosti s uređajima dizajniranim za olovno-kiselinske sustave.

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

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

Ako se razlikuju u određenoj fleksibilnosti u pogledu naponskog spajanja / isključenja, proizvođači litij-ionskih sustava kategorički odbijaju ovaj pristup.

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

Stoga ne postoji takozvani „čudesni“ punjač za litij-ionske baterije koji može produljiti vijek trajanja na duže vrijeme.

Nemoguće je dobiti dodatni kapacitet Li-iona zbog impulsnog punjenja ili drugih poznatih trikova. Litij-ionska energija je vrsta "čistog" sustava koji prihvaća strogo ograničenu količinu energije.

Punjenje baterija s mješavinom kobalta

Klasični dizajn litij-ionskih baterija opremljen je katodama čija se struktura sastoji od materijala:

• kobalt,
• nikal,
• mangan,
• aluminij.

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

Litij-ionske baterije s mješavinom kobalta imaju unutarnje sigurnosne krugove, ali to rijetko sprječava da baterija eksplodira u načinu prepunjavanja.

Postoje i razvoji litij-ionskih baterija, gdje se povećava postotak litija. Za njih, napon punjenja može doseći vrijednost od 4,30V / I i više.

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

Stoga su uglavnom litij-ionske baterije opremljene zaštitnim krugovima, čija je svrha zadržati utvrđenu normu.

Potpuno ili djelomično punjenje

Međutim, praksa pokazuje da većina snažnih litij-ionskih baterija može prihvatiti višu razinu napona, pod uvjetom da se primjenjuje na kratko vrijeme.

Uz ovu opciju, učinkovitost punjenja je oko 99%, a ćelija ostaje hladna tijekom cijelog vremena punjenja. Istina, neke se litij-ionske baterije i dalje zagrijavaju za 4-5C kada dostignu puno punjenje.

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

Litij-ionske baterije u punjaču na punjenju. Indikator pokazuje da su baterije potpuno napunjene. Daljnji proces prijeti oštećenjem baterija

Potpuno punjenje sustava s mješavinom kobalta događa se s graničnom vrijednošću napona. U tom slučaju struja pada do 3 -5% nominalne vrijednosti.

Baterija će pokazati punu napunjenost čak i kada se postigne određena razina kapaciteta, koja ostaje nepromijenjena dugo vremena. Razlog tome može biti povećano samopražnjenje baterije.

Povećanje struje naboja i naboja zasićenja

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

Litij-ionske baterije ne zahtijevaju potpuno punjenje, kao što je to slučaj s olovno-kiselinskim uređajima. Štoviše, upravo je ova opcija punjenja nepoželjna za Li-ion. Zapravo, najbolje je ne puniti bateriju do kraja jer visoki napon opterećuje bateriju.

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

Ovdje treba napomenuti: punjači za kućanstvo, u pravilu, rade na maksimalnoj snazi ​​i ne podržavaju regulaciju struje (napona) punjenja.

Proizvođači litij-ionskih punjača baterija smatraju dug život manjim problemom nego trošak složenosti kruga.

Li-ion punjači baterija

Neki jeftini kućni punjači često koriste pojednostavljenu metodu. Punite litij-ionsku bateriju jedan sat ili manje bez da dođe do zasićenja.

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

Ovaj domaći punjač nudi se za rad s različitim baterijama, uključujući litij-ionske baterije. Uređaj ima sustav regulacije napona i struje, što je već dobro

Profesionalni punjači (skupi) razlikuju se po tome što snižavaju prag napona punjenja, čime se produžuje vijek trajanja litij-ionske baterije.

Tablica prikazuje izračunate snage pri punjenju takvih uređaja pri različitim naponskim pragovima, sa i bez naboja zasićenja:

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

Čim se litij-ionska baterija počne puniti, dolazi do brzog porasta napona. Ovo ponašanje je usporedivo s podizanjem tereta s gumenom trakom kada postoji učinak zaostajanja.

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

Što je struja punjenja veća, efekt gumene trake je svjetliji. Niska temperatura ili prisutnost ćelije s visokim unutarnjim otporom samo pojačavaju učinak.

Struktura litij-ionske baterije u svom najjednostavnijem obliku: 1 - negativna bakrena sabirnica; 2 - pozitivna guma od aluminija; 3 - anoda od kobalt oksida; 4- grafitna katoda; 5 - elektrolit

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

Kao i kod drugih baterija, temperatura utječe na prazan hod na isti način na koji utječe na aktivni materijal litij-ionske baterije. , prijenosna računala i druge uređaje procjenjuje se prebrojavanjem kulona.

Litij-ionska baterija: prag zasićenja

Litij-ionska baterija nije sposobna apsorbirati višak napunjenosti. Stoga, kada je baterija potpuno zasićena, struja punjenja mora se odmah ukloniti.

Naboj konstantne struje može dovesti do metalizacije litijevih ćelija, što krši načelo osiguravanja sigurnosti rada takvih baterija.

Kako biste smanjili stvaranje kvarova, trebali biste odspojiti litij-ionsku bateriju što je prije moguće kada dosegne vrhunac napunjenosti.

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

Čim punjenje prestane, napon litij-ionske baterije počinje padati. Očituje se učinak smanjenja fizičkog stresa.

Neko vrijeme će napon otvorenog kruga biti raspoređen između neravnomjerno napunjenih ćelija s naponom od 3,70 V i 3,90 V.

Ovdje proces također privlači pozornost kada litij-ionska baterija koja je dobila potpuno zasićeno punjenje počne puniti susjednu (ako je uključena u krug) koja nije dobila naboj zasićenja.

Kada je litij-ionske baterije potrebno stalno držati u punjaču kako biste bili sigurni da su spremne, trebali biste se osloniti na punjače koji imaju funkciju kratkotrajnog punjenja bljeskalice.

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

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

Ova tehnika smanjuje fizički napon svojstven tehničkom naponu i pomaže produžiti vijek trajanja baterije.

Punjenje baterija bez kobalta

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

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

Litij-fosfatne baterije su uređaji za pohranu energije koji u svojoj strukturi ne sadrže kobalt. Ova činjenica donekle mijenja uvjete za punjenje takvih baterija.

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

Prekomjerno napunjenost litij-ionske baterije

Litij-ionska baterija radi sigurno unutar specificiranih radnih napona. Međutim, izvedba baterije postaje nestabilna ako se napuni iznad svojih radnih granica.

Dugotrajno punjenje litij-ionske baterije napona iznad 4,30 V, dizajnirane za radni napon od 4,20 V, ispunjeno je litijskim prevlačenjem anode.

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

Tlak baterije se povećava i ako se punjenje nastavi, interni zaštitni uređaj će se aktivirati pri tlaku između 1000 kPa i 3180 kPa.

Ako se porast tlaka nastavi nakon toga, zaštitna membrana se otvara na razini tlaka od 3,450 kPa. U tom stanju, ćelija litij-ionske baterije je na rubu eksplozije, a na kraju se upravo to i događa.

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

Aktiviranje zaštite unutar litij-ionske baterije posljedica je povećanja temperature unutarnjeg sadržaja. Potpuno napunjena baterija ima višu unutarnju temperaturu od djelomično napunjene baterije.

Stoga se litij-ionske baterije smatraju sigurnijim pod uvjetom niskog punjenja. Zato vlasti nekih zemalja zahtijevaju korištenje Li-ion baterija u zrakoplovima, zasićenih energijom ne većom od 30% njihovog punog kapaciteta.

Prag unutarnje temperature baterije pri punom opterećenju je:

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

Treba napomenuti da litij-fosfatne baterije imaju bolju temperaturnu stabilnost od litij-manganskih baterija. Litij-ionske baterije nisu jedine koje predstavljaju opasnost u uvjetima energetskog preopterećenja.

Na primjer, olovno-nikl baterije također su sklone topljenju praćenom požarom ako se energetsko zasićenje vrši kršenjem režima putovnice.

Stoga je korištenje punjača koji su idealno prilagođeni bateriji od iznimne važnosti za sve litij-ionske baterije.

Neki zaključci iz analize

Punjenje litij-ionskih baterija karakterizira pojednostavljena metoda u usporedbi sa sustavima od nikla. Krug punjenja je jednostavan, s ograničenjima napona i struje.

Takav sklop je mnogo jednostavniji od sklopa koji analizira složene naponske potpise koji se mijenjaju kako se baterija koristi.

Proces napajanja litij-ionskih baterija je prekinut; te baterije ne moraju biti potpuno zasićene, kao što je slučaj s olovno-kiselinskim baterijama.

Kontrolni krug za litij-ionske baterije male snage. Jednostavno rješenje i minimum detalja. Ali shema ne pruža uvjete ciklusa koji održavaju dug radni vijek.

Svojstva litij-ionskih baterija obećavaju prednosti u radu obnovljivih izvora energije (solarni paneli i vjetroturbine). U pravilu, ili vjetrogenerator rijetko osigurava puno punjenje baterije.

Za litij-ion, nedostatak stabilnih zahtjeva za punjenje pojednostavljuje krug kontrolera punjenja. Litij-ionska baterija ne zahtijeva kontroler koji izjednačava napon i struju, kao što to zahtijevaju olovne baterije.

Svi kućanski i većina industrijskih litij-ionskih punjača potpuno pune bateriju. Međutim, postojeći punjači litij-ionskih baterija općenito ne pružaju regulaciju napona na kraju ciklusa.