Nei moderni telefoni cellulari, laptop, tablet, vengono utilizzate batterie agli ioni di litio. A poco a poco, hanno sostituito le batterie alcaline dal mercato dell'elettronica portatile. In precedenza, tutti questi dispositivi utilizzavano batterie al nichel-cadmio e all'idruro di nichel-metallo. Ma i loro giorni sono finiti poiché le batterie agli ioni di litio hanno prestazioni migliori. È vero, non possono sostituire quelli alcalini sotto tutti gli aspetti. Ad esempio, le correnti che le batterie al nichel-cadmio possono emettere sono irraggiungibili per loro. Questo non è fondamentale per alimentare smartphone e tablet. Tuttavia, nel campo degli elettroutensili portatili che assorbono molta corrente, le batterie alcaline sono ancora in uso. Tuttavia, continuano i lavori per lo sviluppo di batterie ad alta corrente di scarica senza cadmio. Oggi parleremo delle batterie agli ioni di litio, della loro struttura, funzionamento e prospettive di sviluppo.

Le primissime celle per batterie con anodo al litio sono state prodotte negli anni settanta del secolo scorso. Avevano un'elevata intensità energetica specifica, che li rese subito richiesti. Gli esperti hanno cercato a lungo di sviluppare una fonte di metalli alcalini che abbia un'elevata attività. Di conseguenza, sono stati raggiunti l'alta tensione di questo tipo di batteria e l'energia specifica. Allo stesso tempo, lo stesso sviluppo del design di tali elementi è stato eseguito abbastanza rapidamente, ma il loro uso pratico ha causato difficoltà. Sono riusciti a farcela solo negli anni '90 del secolo scorso.

Nel corso di questi 20 anni, i ricercatori sono giunti alla conclusione che l'elettrodo al litio è il problema principale. Questo metallo è molto attivo e, durante il funzionamento, ha avuto luogo una serie di processi, che alla fine hanno portato all'accensione. Questo divenne noto come ventilazione a fiamma. Per questo motivo, all'inizio degli anni '90, i produttori furono costretti a richiamare le batterie rilasciate per i telefoni cellulari.

Questo è successo dopo una serie di incidenti. Al momento della conversazione, la corrente consumata dalla batteria ha raggiunto il suo massimo e la ventilazione è iniziata con l'emissione di una fiamma. Di conseguenza, ci sono stati molti incidenti di ustioni facciali da parte degli utenti. Pertanto, gli scienziati hanno dovuto perfezionare il design delle batterie agli ioni di litio.

Il litio metallico è estremamente instabile, specialmente durante la carica e la scarica. Pertanto, i ricercatori hanno iniziato a creare una batteria di accumulo di tipo al litio senza utilizzare il litio. Gli ioni di questo metallo alcalino iniziarono ad essere usati. Da qui deriva il loro nome.

Le batterie agli ioni di litio hanno un'energia specifica inferiore a. Ma sono al sicuro se vengono rispettati gli standard di carica e scarica.

Reazioni che avvengono in una batteria agli ioni di litio

Un passo avanti nella direzione dell'introduzione di batterie agli ioni di litio nell'elettronica di consumo è stato lo sviluppo di batterie, in cui l'elettrodo negativo era realizzato in materiale di carbonio. Il reticolo cristallino del carbonio è molto adatto come matrice per l'intercalazione degli ioni di litio. Per aumentare la tensione della batteria, l'elettrodo positivo è stato realizzato in ossido di cobalto. Il potenziale dell'ossido di cobalto colato è di circa 4 volt.

La maggior parte delle batterie agli ioni di litio ha una tensione di lavoro di 3 volt o più. Durante la scarica sull'elettrodo negativo, il litio viene deiintercalato dal carbonio e intercalato nell'ossido di cobalto dell'elettrodo positivo. Nel processo di ricarica, i processi avvengono al contrario. Si scopre che non c'è litio metallico nel sistema, ma i suoi ioni funzionano, che si spostano da un elettrodo all'altro, creando una corrente elettrica.

Reazioni negative dell'elettrodo

Tutte le attuali batterie agli ioni di litio in commercio hanno un elettrodo negativo al carbonio. Il complesso processo di intercalazione del litio in carbonio dipende in gran parte dalla natura di questo materiale, nonché dalla sostanza elettrolitica. La matrice di carbonio all'anodo ha una struttura a strati. La struttura può essere ordinata (grafite naturale o sintetica) o parzialmente ordinata (coke, fuliggine, ecc.).

Durante l'intercalazione, gli ioni di litio allontanano gli strati di carbonio, penetrando tra loro. Si ottengono vari intercalari. Durante l'intercalazione e la deiintercalazione, il volume specifico della matrice di carbonio cambia in modo insignificante. Nell'elettrodo negativo, oltre al materiale carbonioso, si possono utilizzare argento, stagno e loro leghe. Cercano anche di utilizzare materiali compositi con silicio, solfuri di stagno, composti di cobalto, ecc.

Reazioni degli elettrodi positivi

Le celle primarie al litio (batterie) utilizzano spesso una varietà di materiali per realizzare l'elettrodo positivo. Questo non può essere fatto con le batterie e la scelta del materiale è limitata. Pertanto, l'elettrodo positivo della batteria Li─Ion è realizzato in nichel litiato o ossido di cobalto. Possono essere utilizzati anche spinelli al litio manganese.

Attualmente sono in corso ricerche su materiali costituiti da fosfati misti o ossidi per il catodo. Come gli specialisti sono riusciti a dimostrare, tali materiali migliorano le caratteristiche elettriche delle batterie agli ioni di litio. Sono inoltre in fase di sviluppo metodi per l'applicazione di ossidi sulla superficie del catodo.

Le reazioni che avvengono in una batteria agli ioni di litio quando è carica possono essere descritte dalle seguenti equazioni:

elettrodo positivo

LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe -

elettrodo negativo

С + xLi + + xe - → CLi x

Durante il processo di scarica, le reazioni vanno nella direzione opposta.

La figura seguente mostra schematicamente i processi che avvengono in una batteria agli ioni di litio durante la carica e la scarica.

Dispositivo a batteria agli ioni di litio

Secondo il loro design, gli accumulatori agli ioni di litio sono realizzati in un design cilindrico e prismatico. Il design cilindrico è un rotolo di elettrodi con materiale separatore per separare gli elettrodi. Questo rotolo è alloggiato in una custodia in alluminio o acciaio. Ad esso è collegato un elettrodo negativo.

Il contatto positivo viene portato fuori sotto forma di un pad di contatto all'estremità della batteria.

Le batterie agli ioni di litio dal design prismatico sono realizzate impilando piastre rettangolari una sopra l'altra. Tali batterie consentono di rendere l'imballaggio più denso. La difficoltà sta nel mantenere la forza di compressione sugli elettrodi. Ci sono batterie prismatiche con un gruppo di elettrodi arrotolati attorcigliati a spirale.

Qualsiasi batteria agli ioni di litio è progettata con misure per garantire un funzionamento sicuro. Ciò riguarda principalmente la prevenzione del riscaldamento e dell'accensione. Sotto il coperchio della batteria è installato un meccanismo che aumenta la resistenza della batteria all'aumentare del coefficiente di temperatura. Quando la pressione all'interno della batteria supera il limite consentito, il meccanismo rompe il terminale positivo e il catodo.

Inoltre, per aumentare la sicurezza di funzionamento nelle batterie Li-Ion, è obbligatoria una scheda elettronica. Il suo scopo è controllare i processi di carica e scarica, per prevenire surriscaldamenti e cortocircuiti.

Ci sono molte batterie agli ioni di litio prismatiche in produzione oggi. Sono utilizzati in smartphone e tablet. Il design delle batterie prismatiche può spesso variare da produttore a produttore, poiché non esiste una standardizzazione uniforme. Gli elettrodi di polarità opposta sono separati da un separatore. Per la sua produzione viene utilizzato polipropilene poroso.

Il design delle batterie agli ioni di litio e di altri tipi di batterie al litio è sempre sigillato. Questo è un requisito obbligatorio, poiché la perdita di elettrolita non è consentita. Se fuoriesce, l'elettronica sarà danneggiata. Inoltre, il design sigillato impedisce all'acqua e all'ossigeno di entrare nella batteria. Se entrano, distruggono la batteria a causa della reazione con l'elettrolita e gli elettrodi. La produzione di componenti per batterie al litio e il loro assemblaggio avviene in speciali dry box in atmosfera di argon. In questo caso vengono utilizzate complesse tecniche di saldatura, sigillatura, ecc.

Per quanto riguarda la quantità di massa attiva di una batteria agli ioni di litio, i produttori sono sempre alla ricerca di un compromesso. Devono raggiungere la massima capacità e garantire un funzionamento sicuro. L'atteggiamento è preso come base:

A o / A n = 1.1, dove

E circa - la massa attiva dell'elettrodo negativo;

E p è la massa attiva dell'elettrodo positivo.

Questo equilibrio impedisce la formazione di litio (metallo puro) ed esclude il fuoco.

Parametri della batteria agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio prodotte oggi hanno un'elevata capacità energetica specifica e tensione di esercizio. Quest'ultimo nella maggior parte dei casi è compreso tra 3,5 e 3,7 volt. Il consumo di energia varia da 100 a 180 wattora per chilogrammo o da 250 a 400 per litro. Qualche tempo fa, i produttori non potevano produrre batterie con una capacità superiore a pochi amperora. Ora i problemi che ostacolano lo sviluppo in questa direzione sono stati eliminati. Quindi, iniziarono a essere trovate in vendita batterie al litio con una capacità di diverse centinaia di ampere.

La corrente di scarica delle moderne batterie agli ioni di litio varia da 2C a 20C. Funzionano nell'intervallo di temperatura ambiente da -20 a +60 gradi Celsius. Ci sono modelli che funzionano a -40 gradi Celsius. Ma subito va detto che a basse temperature funzionano serie speciali di batterie. Le batterie convenzionali agli ioni di litio per telefoni cellulari diventano inutilizzabili a temperature di congelamento.

L'autoscarica di questo tipo di batteria è del 4-6% durante il primo mese. Quindi diminuisce e ammonta a una percentuale all'anno. Questo è significativamente inferiore rispetto alle batterie al nichel-cadmio e al nichel-metallo idruro. La durata è di circa 400-500 cicli di carica-scarica.

Ora parliamo delle caratteristiche del funzionamento delle batterie agli ioni di litio.

Utilizzo di batterie agli ioni di litio

Ricarica di batterie agli ioni di litio

La carica delle batterie agli ioni di litio è solitamente combinata. Innanzitutto, vengono caricati a una corrente costante di 0,2-1 °C fino a ottenere una tensione di 4,1-4,2 volt. E quindi la ricarica viene eseguita a tensione costante. La prima fase dura circa un'ora e la seconda circa due. La modalità a impulsi viene utilizzata per caricare la batteria più velocemente. Inizialmente, sono state prodotte batterie agli ioni di litio con grafite e per loro è stato fissato un limite di tensione di 4,1 volt per una lattina. Il fatto è che a una tensione più elevata nella cella sono iniziate reazioni collaterali, che accorciano la vita di queste batterie.

Gradualmente, questi svantaggi sono stati eliminati drogando la grafite con vari additivi. Le moderne celle agli ioni di litio possono facilmente caricare fino a 4,2 volt. L'errore è di 0,05 volt per cella. Esistono gruppi di batterie agli ioni di litio per applicazioni militari e industriali in cui sono richieste maggiore affidabilità e lunga durata. Per tali batterie, la tensione massima per cella è di 3,90 volt. Hanno una densità energetica leggermente inferiore, ma una maggiore durata.

Se si carica una batteria agli ioni di litio con una corrente di 1C, il tempo per un set completo di capacità sarà di 2─3 ore. La batteria è considerata completamente carica quando la tensione sale al massimo e la corrente scende al 3% del valore all'inizio del processo di carica. Questo può essere visto nel grafico sottostante.

Il grafico seguente mostra le fasi di ricarica di una batteria agli ioni di litio.

Il processo di ricarica consiste nelle seguenti fasi:

• Fase 1. In questa fase, la corrente di carica massima scorre attraverso la batteria. Continua fino al raggiungimento della tensione di soglia;
• Fase 2. Con una tensione costante ai capi della batteria, la corrente di carica diminuisce gradualmente. Questa fase si interrompe quando la corrente si riduce al 3% del valore iniziale;
• Fase 3. Se la batteria viene immagazzinata, in questa fase viene eseguita una carica periodica per compensare l'autoscarica. Viene eseguito ogni 500 ore circa.
  È noto dalla pratica che l'aumento della corrente di carica non riduce il tempo di carica della batteria. All'aumentare della corrente, la tensione sale più velocemente fino al valore di soglia. Ma poi la seconda fase di ricarica richiede più tempo. Alcuni caricabatterie (caricabatterie) possono caricare una batteria agli ioni di litio in un'ora. In tali caricabatterie, il secondo stadio è assente, ma in realtà la batteria a questo punto viene caricata di circa il 70 percento.

Per quanto riguarda la ricarica di mantenimento, non è applicabile alle batterie agli ioni di litio. Questo perché questo tipo di batteria non può assorbire l'energia in eccesso durante la ricarica. La carica a getto può portare alla transizione di alcuni ioni di litio allo stato metallico (valenza 0).

Una breve carica compensa bene l'autoscarica e la perdita di energia elettrica. Il terzo stadio può essere caricato ogni 500 ore. Di norma, viene eseguito quando la tensione della batteria scende a 4,05 volt per cella. La carica viene eseguita fino a quando la tensione non sale a 4,2 volt.

Vale la pena notare la debole resistenza delle batterie agli ioni di litio al sovraccarico. Come risultato della fornitura di carica in eccesso sulla matrice di carbonio (elettrodo negativo), può iniziare la deposizione di litio metallico. Ha un'attività chimica molto elevata e interagisce con l'elettrolita. Di conseguenza, il rilascio di ossigeno inizia al catodo, che minaccia con un aumento della pressione nel corpo e la depressurizzazione. Pertanto, se si carica una cella agli ioni di litio bypassando il controller, non consentire alla tensione di aumentare durante la carica più di quanto raccomandato dal produttore della batteria. La ricarica continua della batteria ne ridurrà la durata.

I produttori prestano molta attenzione alla sicurezza delle batterie agli ioni di litio. La carica si interrompe quando la tensione sale al di sopra del livello consentito. È inoltre installato un meccanismo per spegnere la carica quando la temperatura della batteria supera i 90 gradi Celsius. Alcuni modelli di batterie moderne hanno un interruttore di tipo meccanico nel loro design. Si attiva quando la pressione all'interno dell'alloggiamento della batteria aumenta. Il meccanismo di controllo della tensione della scheda elettronica disconnette il vaso dal mondo esterno per la minima e la massima tensione.

Ci sono batterie agli ioni di litio senza protezione. Questi sono modelli contenenti manganese. Questo elemento, quando sovraccaricato, aiuta ad inibire la metallizzazione del litio e l'evoluzione dell'ossigeno. Pertanto, in tali batterie, la protezione diventa inutile.

Caratteristiche di conservazione e scarica delle batterie agli ioni di litio

Le batterie al litio sono conservate abbastanza bene e l'autoscarica all'anno è solo del 10-20%, a seconda delle condizioni di conservazione. Ma allo stesso tempo, il degrado delle celle della batteria continua anche se non viene utilizzato. In generale, tutti i parametri elettrici di una batteria agli ioni di litio possono differire per ogni caso specifico.

Ad esempio, la tensione di scarica cambia a seconda dello stato di carica, della corrente, della temperatura ambiente, ecc. La durata della batteria è influenzata dalle correnti e dalle modalità del ciclo di scarica-carica, dalla temperatura. Uno dei principali svantaggi delle batterie agli ioni di litio è la loro sensibilità alla modalità di carica-scarica, motivo per cui forniscono molti diversi tipi di protezione.

Le tabelle seguenti mostrano le caratteristiche di scarica delle batterie agli ioni di litio. Hanno considerato la dipendenza della tensione dalla corrente di scarica e dalla temperatura ambiente.

Come puoi vedere, con un aumento della corrente di scarica, la caduta di capacità è insignificante. Ma allo stesso tempo, la tensione operativa è notevolmente ridotta. Un'immagine simile si osserva a temperature inferiori a 10 gradi Celsius. Vale anche la pena notare la caduta di tensione iniziale della batteria.

Nei moderni telefoni cellulari, fotocamere e altri dispositivi, le batterie agli ioni di litio vengono spesso utilizzate, in sostituzione delle batterie alcaline e al nichel-cadmio, che superano in molti modi. Per la prima volta, le batterie con anodo al litio sono apparse negli anni '70 del secolo precedente e sono diventate immediatamente molto popolari grazie alla loro alta tensione e intensità energetica.

Storia dell'apparenza

Gli sviluppi furono di breve durata, ma a livello pratico sorsero difficoltà che si risolsero solo negli anni '90 del secolo scorso. A causa dell'elevata attività del litio, all'interno dell'elemento si sono verificati processi chimici che hanno portato alla combustione.

All'inizio degli anni '90 si sono verificati numerosi incidenti: gli utenti del telefono, mentre parlavano, hanno ricevuto gravi ustioni a causa dell'accensione spontanea degli elementi e quindi dei dispositivi di comunicazione stessi. A questo proposito, le batterie sono state completamente fuori produzione e le batterie rilasciate in precedenza sono state restituite dalla vendita.

Nelle moderne batterie agli ioni di litio non viene utilizzato metallo puro, ma solo i suoi composti ionizzati, poiché sono più stabili. Sfortunatamente, gli scienziati hanno dovuto ottenere una riduzione significativa delle capacità della batteria, ma sono riusciti a ottenere l'obiettivo principale: le persone non hanno più sofferto di ustioni.

Il reticolo cristallino di vari composti di carbonio è risultato adatto per l'intercalazione di ioni di litio all'elettrodo negativo. Durante la carica passano dall'anodo al catodo e durante la scarica viceversa.

Principio di funzionamento e varietà

In ogni batteria agli ioni di litio, l'elettrodo negativo si basa su sostanze contenenti carbonio, la cui struttura può essere ordinata o parzialmente ordinata. A seconda del materiale cambia il processo di intercalazione del Li in C. L'elettrodo positivo è costituito principalmente da nichel laminato o ossido di cobalto.

Sommando tutte le reazioni, possono essere rappresentate nelle seguenti equazioni:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi + + xe - per il catodo.
2. С + xLi + + xe → CLix - per l'anodo.

Le equazioni sono presentate per il caso di una scarica; quando sono cariche, fluiscono nella direzione opposta. Gli scienziati stanno conducendo ricerche su nuovi materiali costituiti da fosfati e ossidi misti. Questi materiali dovrebbero essere utilizzati per il catodo.

Esistono due tipi di batterie agli ioni di litio:

1. cilindrico;
2. prismatico.

La differenza principale è la disposizione delle piastre (in prismatica - una sopra l'altra). La dimensione della batteria al litio dipende da questo. Di norma, quelli prismatici sono più densi e compatti.

Inoltre, all'interno è presente un sistema di sicurezza: un meccanismo che aumenta la resistenza quando la temperatura aumenta e interrompe il circuito anodo-catodo a una pressione maggiore. Grazie alla scheda elettronica, diventa impossibile cortocircuitare, poiché controlla i processi all'interno della batteria.

Gli elettrodi di polarità opposta sono separati da un separatore. La custodia deve essere sigillata, la perdita di elettrolita o l'ingresso di acqua e ossigeno distruggeranno sia la batteria che il dispositivo elettronico stesso.

Diversi produttori hanno una batteria al litio può sembrare completamente diverso, non esiste una forma del prodotto uniforme. Il rapporto tra le masse attive dell'anodo e il catodo dovrebbe essere di circa 1: 1, altrimenti è possibile la formazione di litio metallico, che porterà al fuoco.

Vantaggi e svantaggi

Le batterie hanno prestazioni eccellenti che variano da produttore a produttore. La tensione nominale è 3,7-3,8 V con un massimo di 4,4 V. La densità di energia (uno degli indicatori principali) è 110-230 W * h / kg.

La resistenza interna è da 5 a 15 mΩ / 1Ah. La vita utile in termini di numero di cicli (scarica/carica) è di 1000-5000 unità. Il tempo per la ricarica rapida è di 15-60 minuti. Uno dei vantaggi più significativi è il lento processo di autoscarica (solo il 10-20% all'anno, di cui 3-6% per il primo mese). L'intervallo della temperatura di esercizio è 0 C - +65 C, a temperature inferiori allo zero, la ricarica è impossibile.

La ricarica avviene in più fasi:

1. fino a un certo punto scorre la massima corrente di carica;
2. al raggiungimento dei parametri di funzionamento la corrente scende progressivamente fino al 3% del valore massimo.

Durante lo stoccaggio ogni 500 ore circa, è necessaria una ricarica periodica per compensare l'autoscarica. Quando sovraccaricato, si può depositare litio metallico che, interagendo con l'elettrolita, forma ossigeno. Ciò aumenta il rischio di perdite dovute all'aumento della pressione interna.

Una ricarica frequente ridurrà notevolmente la durata della batteria. Inoltre, sono interessati l'ambiente, la temperatura, la corrente, ecc.

L'elemento presenta degli svantaggi, tra i quali si distinguono i seguenti:

Condizioni operative

È meglio conservare la batteria nelle seguenti condizioni: La carica dovrebbe essere almeno del 40% e la temperatura non dovrebbe essere molto bassa o alta. L'opzione migliore è l'intervallo da 0C a + 10C. Di solito, circa il 4% della capacità viene perso in 2 anni, motivo per cui non è consigliabile acquistare batterie con date di produzione precedenti.

Gli scienziati hanno inventato un modo per prolungare la durata di conservazione. All'elettrolita viene aggiunto un conservante appropriato. Tuttavia, tali batterie dovrebbero essere "addestrate" sotto forma di 2-3 cicli completi di scarica/carica in modo che possano successivamente funzionare normalmente. In caso contrario, potrebbe verificarsi un "effetto memoria" e un conseguente rigonfiamento dell'intera struttura. Con un uso corretto e l'aderenza a tutti gli standard di archiviazione, la batteria può durare a lungo, mentre la sua capacità rimane ad un livello elevato.

Le batterie agli ioni di litio non sono così esigenti come le loro controparti al nichel-metallo idruro, ma richiedono comunque un po' di manutenzione. Aderendo a cinque semplici regole, non solo puoi prolungare il ciclo di vita delle batterie ricaricabili agli ioni di litio, ma anche aumentare il tempo di funzionamento dei dispositivi mobili senza ricarica.

Non consentire lo scarico completo. Le batterie agli ioni di litio non hanno un cosiddetto effetto memoria, quindi possono e, inoltre, devono essere caricate senza attendere che si scarichino a zero. Molti produttori calcolano la durata di una batteria agli ioni di litio come un numero di cicli di scarica completa (fino allo 0%). Per batterie di qualità, questo è 400-600 cicli... Per prolungare la durata della batteria agli ioni di litio, caricare il telefono più spesso. In modo ottimale, non appena la carica della batteria scende al di sotto del segno del 10-20%, è possibile caricare il telefono. Ciò aumenterà il numero di cicli di scarica a 1000-1100 .
Gli esperti descrivono questo processo con un indicatore come la profondità di scarica. Se il telefono è scaricato fino al 20%, la profondità di scarica è dell'80%. La tabella seguente mostra la relazione tra il numero di cicli di scarica di una batteria agli ioni di litio e la profondità di scarica:

Scarica ogni 3 mesi. Una carica completa per lungo tempo è dannosa per le batterie agli ioni di litio tanto quanto essere costantemente scaricate a zero.
A causa del processo di ricarica estremamente instabile (spesso ricarichiamo il telefono se necessario e dove funziona, da USB, da una presa, da una batteria esterna, ecc.), gli esperti consigliano di scaricare completamente la batteria una volta ogni 3 mesi e quindi di caricarla al 100% e tenendolo in carica per 8-12 ore. Questo aiuta a ripristinare i cosiddetti flag di carica della batteria alta e bassa. Puoi leggere di più su questo.

Negozio parzialmente carico... La migliore condizione per la conservazione a lungo termine di una batteria agli ioni di litio è tra il 30 e il 50 percento di carica a 15 ° C. Se la batteria viene lasciata completamente carica, la sua capacità diminuirà notevolmente nel tempo. Ma la batteria, che ha accumulato polvere sullo scaffale per molto tempo scaricata a zero, molto probabilmente non è più un inquilino: è tempo di inviarla al riciclaggio.
La tabella seguente mostra la capacità residua di una batteria agli ioni di litio in base alla temperatura di conservazione e al livello di carica se conservata per 1 anno.

Utilizzare il caricatore originale. Poche persone sanno che nella maggior parte dei casi il caricabatterie è integrato direttamente nei dispositivi mobili e un adattatore di alimentazione esterno riduce solo la tensione e rettifica la corrente dell'alimentazione domestica, ovvero non influisce direttamente sulla batteria. Alcuni gadget, come le fotocamere digitali, non hanno un caricabatterie integrato e quindi le loro batterie agli ioni di litio sono inserite in un "caricatore" esterno. È qui che l'utilizzo di un caricabatterie esterno di dubbia qualità al posto di quello originale può influire negativamente sulle prestazioni della batteria.

Non surriscaldare. Bene, il peggior nemico delle batterie agli ioni di litio è l'alta temperatura: non sopportano affatto il surriscaldamento. Pertanto, non esporre i dispositivi mobili alla luce solare diretta o lasciarli nelle immediate vicinanze di fonti di calore come stufe elettriche. Temperature massime consentite alle quali è possibile utilizzare le batterie agli ioni di litio: da –40°C a +50°C

Inoltre, puoi vedere

Che è molto diffuso nelle moderne apparecchiature elettroniche domestiche e trova la sua applicazione come fonte di energia nei veicoli elettrici e nei sistemi di accumulo dell'energia nei sistemi energetici. È il tipo di batteria più diffuso in dispositivi come telefoni cellulari, laptop, veicoli elettrici, fotocamere digitali e videocamere. La prima batteria agli ioni di litio è stata rilasciata da Sony Corporation nel 1991.

Specifiche

Le batterie agli ioni di litio presentano le seguenti caratteristiche, a seconda dello schema elettrochimico:

• La tensione di una singola cella è di 3,6 V.
• Tensione massima 4,2 V, minima 2,5-3,0 V. I caricabatterie mantengono una tensione nell'intervallo 4,05-4,2 V
• Densità di energia: 110 ... 230 W * h / kg
• Resistenza interna: 5 ... 15 mOhm / 1Ah
• Numero di cicli di carica/scarica fino alla perdita del 20% della capacità: 1000-5000
• Tempo di ricarica rapida: 15 min - 1 ora
• Autoscarica a temperatura ambiente: 3% al mese
• Corrente di carico relativa alla capacità (C):
  • costante - fino a 65C, pulsato - fino a 500C
  • più accettabile: fino a 1C
• Intervallo di temperatura di esercizio: -0 ... +60 ° C (la ricarica della batteria non è possibile a temperature negative)

Dispositivo

Una batteria agli ioni di litio è costituita da elettrodi (materiale catodico su foglio di alluminio e materiale anodico su foglio di rame) separati da separatori porosi impregnati di elettrolita. Il pacchetto di elettrodi è posto in una custodia sigillata, i catodi e gli anodi sono collegati ai terminali del collettore di corrente. Il corpo ha una valvola di sicurezza che scarica la pressione interna in caso di emergenza e violazione delle condizioni operative. Le batterie agli ioni di litio differiscono per il tipo di materiale del catodo utilizzato. Il portatore di corrente in una batteria agli ioni di litio è uno ione di litio caricato positivamente, che ha la capacità di essere incorporato (intercalato) nel reticolo cristallino di altri materiali (ad esempio grafite, ossidi e sali metallici) con la formazione di un legame chimico, ad esempio: nella grafite con formazione di LiC6, ossidi (LiMO 2) e sali metallici (LiM RON). Inizialmente, il litio metallico veniva utilizzato come piastre negative, quindi il carbone coke. In futuro, iniziò ad essere utilizzata la grafite. Fino a poco tempo, gli ossidi di litio con cobalto o manganese venivano usati come piastre positive, ma vengono sempre più sostituiti dal ferrofosfato di litio, che si è rivelato sicuro, economico e non tossico e può essere riciclato in modo ecologico. Le batterie agli ioni di litio vengono utilizzate in combinazione con un sistema di controllo e gestione - BMS o BMS (sistema di gestione della batteria) e uno speciale dispositivo di carica / scarica. Attualmente, nella produzione in serie delle batterie agli ioni di litio vengono utilizzate tre classi di materiali catodici: - litio cobalto LiCoO 2 e soluzioni solide a base di litio nichelato isostrutturale - litio manganese spinello LiMn 2 O 4 - litio ferrofosfato LiFePO 4. Schemi elettrochimici delle batterie agli ioni di litio: litio-cobalto LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi + C6 litio-ferrofosfato LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi + C6

A causa della loro bassa autoscarica e dell'elevato numero di cicli di carica-scarica, le batterie agli ioni di litio sono preferibili per l'uso in energia alternativa. Inoltre, oltre al sistema BMS (IMS), sono dotati di inverter (convertitori di tensione).

Vantaggi

• Alta densità di energia.
• Bassa autoscarica.
• Mancanza di effetto memoria.
• Senza manutenzione.

Screpolatura

Le batterie agli ioni di litio di prima generazione erano soggette a effetti esplosivi. Ciò era dovuto al fatto che utilizzavano un anodo di litio metallico, sul quale, nel processo di più cicli di carica / scarica, apparivano formazioni spaziali (dendriti), che portavano alla chiusura degli elettrodi e, di conseguenza, a incendi o esplosioni . Questo problema è stato finalmente risolto sostituendo il materiale dell'anodo con grafite. Processi simili si sono verificati sui catodi delle batterie agli ioni di litio a base di ossido di cobalto quando sono state violate le condizioni operative (sovraccarico). Le batterie al litio-ferro-fosfato sono completamente prive di questi svantaggi. Inoltre, tutte le moderne batterie agli ioni di litio sono dotate di circuiti elettronici integrati per prevenire il sovraccarico e il surriscaldamento dovuto al sovraccarico.

Le batterie agli ioni di litio con scarica incontrollata possono avere un ciclo di vita più breve rispetto ad altri tipi di batterie. Quando sono completamente scariche, le batterie agli ioni di litio perdono la capacità di caricarsi quando la tensione di carica è collegata. Questo problema può essere risolto applicando un impulso di tensione più elevato, ma ciò influisce negativamente sulle ulteriori prestazioni delle batterie agli ioni di litio. La massima "vita" di una batteria agli ioni di litio si ottiene quando la carica è limitata dall'alto al 95% e la scarica è del 15-20%. Questa modalità operativa è supportata dal sistema di monitoraggio e controllo BMS (BMS), incluso in qualsiasi batteria agli ioni di litio.

Le condizioni di conservazione ottimali per le batterie agli ioni di litio si ottengono con un livello di carica del 40-70% della capacità della batteria e una temperatura di circa 5 ° C. In questo caso, la bassa temperatura è più importante per le basse perdite di capacità durante lo stoccaggio a lungo termine. La durata media (durata di servizio) di una batteria agli ioni di litio è in media di 36 mesi, anche se può variare da 24 a 60 mesi.

Perdita di capacità di stoccaggio:

temperatura	con il 40% di carica	con il 100% di carica
0 C	2% all'anno	6% all'anno
25 °C	4% all'anno	20% all'anno
40 C	15% all'anno	35% all'anno
60 C	25% all'anno	40% per tre mesi

Secondo tutte le normative vigenti per lo stoccaggio e il funzionamento delle batterie agli ioni di litio, per garantire una conservazione a lungo termine, è necessario ricaricarle al livello del 70% della loro capacità una volta ogni 6-9 mesi.

Guarda anche

Note (modifica)

Letteratura

• Accumulatori di Khrustalev D.A. M: Smeraldo, 2003.
• Yuri Filippovsky Cibo mobile. Parte 2. (RU). ComputerraLab (26 maggio 2009). - Articolo dettagliato sulle batterie agli ioni di litio .. Estratto il 26 maggio 2009.

Link

• GOST 15596-82 Termini e definizioni.
• GOST 61960-2007 Accumulatori e accumulatori al litio
• Batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio. iXBT (2001)
• Batterie domestiche agli ioni di litio

Cella galvanica	Cella Galvanica Daniel | Elemento alcalino | | Elemento secco | Elemento di concentrazione | Cella d'aria in zinco | Elemento normale di Weston
Accumulatori elettrici	acido di piombo | Argento-zinco | Nichel-Cadmio | Idruro di nichel metallico | Batteria al nichel-zinco | Ioni di litio | polimeri di litio | solfuro di ferro di litio | Litio Ferro Fosfato | Titanato di litio | Vanadio | Ferro-nichel
Celle a combustibile	Metanolo diretto | Ossido solido | Alcalino
Modelli	Batteria | Batteria elettrica | Cella a combustibile
Dispositivo

Il tempo di funzionamento dei moderni smartphone senza ricarica è determinato dalla loro batteria e dalle sue caratteristiche.

Che tipo di batterie ci sono?

Le batterie al nichel-cadmio (Ni-Cd) e al nichel-metallo idruro (Ni-MH) non sono più rilevanti: hanno funzionato bene per molto tempo, ma avevano una serie di svantaggi. Nei nostri gadget, nella maggior parte dei casi vengono utilizzate batterie a base di litio: agli ioni di litio (Li-Ion) e ai polimeri di litio (Li-Pol).

Una delle caratteristiche principali di una batteria è la sua capacità. Determina quanta elettricità può immagazzinare la batteria e per quanto tempo il dispositivo può funzionare in modo autonomo. Le batterie più comuni sono quelle con capacità da 2.000 a 3.000 mAh (milliampere/ora). Le dimensioni delle sorgenti agli ioni di litio rimangono molto compatte, a differenza dei loro predecessori.

Le batterie ai polimeri di litio differiscono dalle batterie agli ioni di litio in una varietà di forme geometriche e, cosa particolarmente importante ora, nel loro spessore minimo, che parte da 1 mm. Ciò consente loro di essere utilizzati in smartphone molto sottili.

Le batterie al litio hanno una lunga durata se utilizzate correttamente. I produttori di molti noti smartphone hanno previsto la sostituzione della batteria solo nel centro assistenza, rendendo monolitico il corpo del dispositivo, e la back cover e la batteria non rimovibili. Senza attrezzature e conoscenze speciali, l'utente non sarà in grado di eseguire questa operazione da solo.

Temperatura durante il funzionamento. La capacità della batteria è direttamente interessata. L'alta temperatura favorisce un più rapido accumulo di energia, a bassa temperatura la capacità diminuisce notevolmente. Se ne usi uno insufficientemente carico, si scaricherà rapidamente. Inoltre, c'è il rischio di abbassare la carica a zero, il che è estremamente indesiderabile: le batterie al litio si scaricano completamente.

E la situazione opposta. Uno smartphone carico al 100% viene utilizzato alla luce diretta del sole. In senso figurato, in questo caso, il 100% della carica si trasforma in 110% e si ottiene un'eccedenza di elettricità accumulata, che può portare a una diminuzione della capacità.

Sulla base di ciò, vale la pena osservare le condizioni di temperatura del gadget. E non stiamo parlando del riscaldamento naturale durante l'uso attivo: un tale aumento della temperatura per la batteria non rappresenta un pericolo

Tempo di ricarica e caricabatterie. Ogni sorgente al litio è dotata di un apposito controller che deve proteggerla dalle sovracorrenti. Quando viene raggiunta una carica completa, la corrente in ingresso viene interrotta.

Errori e imprecisioni sono possibili nel funzionamento del controller, che portano a un sovraccarico. A volte ciò è dovuto all'uso di caricabatterie per smartphone non originali. Non è consigliabile lasciare uno smartphone in carica nella presa per molto tempo dopo che ha raggiunto la carica completa. È inoltre necessario utilizzare caricabatterie originali o quelli i cui parametri.

Le batterie al litio devono essere caricate senza attendere che il dispositivo si spenga completamente, ad esempio del 10-15% della carica residua. Possono essere alimentati quando possibile durante il giorno, ad esempio dalla porta USB di un computer di lavoro o in macchina. Non è necessario ottenere una carica completa.

Conservazione. Se il proprietario dello smartphone prevede di non utilizzare il dispositivo per un lungo periodo, il livello di carica della batteria consigliato in questo caso dovrebbe essere di circa il 50%.

Le batterie al litio vengono caricate circa 1200 volte. L'aritmetica semplice suggerisce che la durata della batteria durerà per almeno 3 anni. Seguendo le linee guida di cui sopra, è possibile prolungare la durata della batteria.