Batterie al litio

Le batterie al litio o agli ioni di litio (Li-ion) si trovano principalmente in telefoni cellulari, laptop, videocamere. I prodotti sono costosi, le batterie lo sono anche, quindi è necessario gestirli in modo ancora più competente rispetto a qualsiasi altra batteria. Allora qual è il potere di Li-Yon? Probabilmente ci sono ancora più voci e miti qui. In primo luogo, inizia ad apparire da solo, se non altro perché i venditori di apparecchiature con batterie agli ioni di litio non danno speciali parole di addio, dicendo che la batteria è "intelligente" e farà tutto bene da sola. Ma non se stessa. Dopotutto, quanti casi ci sono quando i proprietari di nuovi laptop in un mese hanno reso la batteria inutilizzabile e poi hanno pagato un buon prezzo per una nuova batteria. Certo, le batterie al litio sono costose perché sono piene zeppe di elettronica, ma, sfortunatamente, non ti salva da uno sciocco.

Sovrascarica

Come con le batterie al nichel, anche le batterie al litio hanno molta paura di sovraccaricarsi e scaricarsi eccessivamente. Ma poiché queste batterie sono utilizzate in dispositivi intelligenti e sono dotate di caricabatterie propri, la loro elettronica non consente il sovraccarico, quindi. non devi aver paura di lui. Ma la scarica eccessiva è più difficile da controllare, motivo per cui è la causa più comune di guasto precoce della batteria. Naturalmente, in dispositivi costosi e complessi, ad esempio nei laptop, lo spegnimento avviene prima che la tensione scenda a un valore critico. Ma i precedenti indicano che questo arresto di emergenza è meglio visto come una misura di emergenza, che, se possibile, è meglio evitare. Questa è la regola più importante per evitare la scarica completa, poiché la bassa tensione può disabilitare il circuito di sicurezza. Succede che le persone "uccidono" le batterie, trascinate dall'allenamento. L'esercizio è una buona cosa, ma per le batterie al litio sono sufficienti 2-3 cicli completi.

Le batterie al litio non hanno effetto memoria, quindi possono essere ricaricate quando vuoi, quindi è meglio non scaricare completamente le batterie dopo l'allenamento. La soglia minima consigliata è 5-10%. La soglia critica inferiore è del 3%.

Molti cicli incompleti o uno completo

Le batterie al litio hanno una durata di circa 300 cicli. Un ciclo completo è un ciclo di carica completa e scarica completa (cioè fino a circa il 3% della capacità) o viceversa. Se scarichi la batteria al 50% e poi la carichi, allora sarà 1/2 ciclo, se fino al 75% e la carichi - 1/4 ciclo, ecc. Quindi, per telefoni e laptop, la differenza di beneficio tra cicli completi e incompleti è diversa. Internet afferma ostinatamente che un gruppo di persone ha caricato i propri telefoni con una scarica incompleta (ovvero, hanno ricaricato il telefono ogni giorno) e alla fine li hanno abbandonati. Allo stesso tempo, per i laptop è noto in modo affidabile che i cicli completi consumano la batteria più velocemente di quelli incompleti. La situazione è chiarita da un esame dettagliato del dispositivo delle batterie agli ioni di litio (vedi materiali aggiuntivi). Risulta molto dipende dal controller. È lui che controlla la corrente di carica, monitora lo stato della batteria, ecc. Quindi, nei laptop, il controller si trova nella batteria stessa e viene corretto dalle utilità di sistema, come la calibrazione. Nei telefoni cellulari, il controller si trova nel telefono stesso e non può essere facilmente regolato. Sebbene non vi sia alcun effetto memoria nelle batterie al litio, esiste un cosiddetto effetto "memoria digitale". Il fatto è che l'elettronica di controllo della carica-scarica situata nella batteria stessa funziona indipendentemente dal dispositivo che utilizza la batteria. L'elettronica interna monitora il livello di tensione della cella, interrompe la carica al raggiungimento del valore massimo impostato (tenendo conto della variazione di tensione dovuta alla corrente di carica e alla temperatura della batteria), interrompe la scarica al raggiungimento del valore critico e segnala questo al "rialzo" (per questi scopi, una vasta gamma di microcircuiti specializzati). Il sistema di monitoraggio della batteria "sopra" calcola il livello di carica in base alle informazioni sui momenti di spegnimento della carica e scarica dalla batteria e alle letture del sistema di misurazione della corrente. Ma se le condizioni operative sono tali che non si verifica la scarica completa prima dell'arresto dell'hardware o la carica completa, questi calcoli dopo diversi cicli potrebbero non diventare del tutto corretti: la capacità della batteria diminuisce nel tempo e le letture del misuratore di corrente potrebbero non corrispondere sempre alla realtà. In genere, le deviazioni non superano l'uno percento per ciclo, a meno che non si siano verificati cambiamenti importanti durante il funzionamento, ad esempio con il guasto di una delle celle della batteria. Il sistema di monitoraggio ha la capacità di "apprendere", cioè di ricalcolare il valore della piena capacità della batteria, ma per questo è necessario eseguire almeno un ciclo completo di carica-scarica prima dei circuiti hardware della batteria stessa sono innescati. Quindi si scopre che con cicli molto frequenti, il controller si perde e, quindi, calcola in modo errato la carica della batteria ed esegue una carica errata, a causa della quale la batteria si deteriora. A differenza di un laptop, il telefono non può essere ricalibrato. Tutto ciò che rimane in questo caso è fare un paio di cicli completi per ripulire il controller. Consiglio, idealmente, di combinare cicli pieni e incompleti, attenendosi al principio della "media aurea". Personalmente, l'ho fatto con il mio cellulare: di conseguenza, dopo 2 anni di attività, il calo di capacità non è stato superiore al 40%, che è la norma. In parte, anche il tempo non risparmia le batterie al litio: si consumano nel tempo, indipendentemente dall'uso; la loro età è breve ed è ragionevole cambiare le batterie ogni 2-3 anni.

Conservazione

Quando non viene utilizzato, si consiglia di conservarlo al 40% della capacità in un luogo fresco. Il limite di temperatura inferiore per la conservazione e il funzionamento è di 00 C. In generale, le batterie al litio amano essere caricate, ad es. è meglio conservarli e mantenerli carichi, a differenza di quelli in nichel. Ma con la conservazione a lungo termine, la carica massima consuma ancora di più la batteria, quindi il 40% della carica è considerato lo stato ottimale.

Rianimazione con la batteria

In generale, se la batteria è scarica, è meglio acquistarne una nuova, questa è l'opzione più logica, anche se costosa. Non ho trovato ricette affidabili per rianimare le batterie. Ci sono vere leggende qui, specialmente sui laptop, che le persone hanno rianimato la batteria del laptop abbandonata e tutto è fantastico con loro. Uno di questi suona così: "Devi scaricare completamente la batteria, lasciare il laptop per una settimana; quindi caricare completamente la batteria e lasciarla anche per una settimana; in due mesi la capacità dovrebbe essere ripristinata”.

Per i telefoni cellulari: combinare cicli completi e incompleti (nella proporzione di "XZ").
Per i laptop: il minor numero possibile di cicli completi (post allenamento).
Per tutti: si consiglia di eseguire cicli all'80%; non consentire lo scarico completo (inferiore al 3%).

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

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 vita utile 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 lasciare che la tensione aumenti durante la carica oltre quanto consigliato 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 per molti aspetti. 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.

I processi di carica e scarica di eventuali batterie ricaricabili procedono sotto forma di reazione chimica. Tuttavia, la ricarica delle batterie agli ioni di litio è un'eccezione alla regola. La ricerca scientifica mostra l'energia di tali batterie come il movimento caotico degli ioni. Le dichiarazioni degli esperti meritano attenzione. Se le batterie agli ioni di litio sono correttamente caricate scientificamente, questi dispositivi dovrebbero durare per sempre.

Gli scienziati vedono i fatti della perdita della capacità utile della batteria, confermati dalla pratica, negli ioni bloccati dalle cosiddette trappole.

Pertanto, come nel caso di altri sistemi simili, i dispositivi agli ioni di litio non sono immuni da difetti nel processo di utilizzo nella pratica.

I caricabatterie per i design agli ioni di litio hanno alcune somiglianze con quelli progettati per i sistemi al piombo.

Ma le principali differenze tra tali caricabatterie si vedono nella fornitura di tensioni sovrastimate alle celle. Inoltre, si notano tolleranze di corrente più strette, oltre all'esclusione della carica intermittente o di mantenimento quando la batteria è completamente carica.

Un dispositivo di alimentazione relativamente potente che può essere utilizzato come dispositivo di accumulo di energia per progetti di fonti energetiche alternative

Se hanno una certa flessibilità in termini di connessioni/disconnessioni di tensione, i produttori di sistemi agli ioni di litio rifiutano fortemente questo approccio.

Le batterie agli ioni di litio e le regole di funzionamento di questi dispositivi non consentono la possibilità di un sovraccarico illimitato.

Pertanto, non esiste un cosiddetto caricabatterie "miracoloso" per batterie agli ioni di litio in grado di prolungare la durata di servizio per lungo tempo.

Non è possibile ottenere ulteriore capacità agli ioni di litio tramite la ricarica a impulsi o altri trucchi noti. L'energia agli ioni di litio è una sorta di sistema "pulito" che accetta una quantità di energia strettamente limitata.

Ricarica di batterie al cobalto

I design classici delle batterie agli ioni di litio sono dotati di catodi, la cui struttura è costituita da materiali:

• cobalto,
• nichel,
• manganese,
• alluminio.

Tutti sono generalmente caricati con tensioni fino a 4,20 V / I. La deviazione consentita non è superiore a +/- 50 mV / I. Ma ci sono anche alcuni tipi di batterie agli ioni di litio a base di nichel che possono essere caricate fino a 4,10 V/I.

Le batterie agli ioni di litio con miscela di cobalto sono dotate di circuiti di protezione interni, ma questo momento raramente salva da un'esplosione della batteria in una modalità di sovraccarico

Ci sono anche sviluppi di batterie agli ioni di litio, dove la percentuale di litio è aumentata. Per loro, la tensione di carica può raggiungere 4,30 V / I e oltre.

Bene, l'aumento della tensione aumenta la capacità, ma la tensione che va oltre le specifiche è irta della distruzione della struttura della batteria.

Pertanto, per la maggior parte, le batterie agli ioni di litio sono dotate di circuiti di protezione, il cui scopo è mantenere la velocità stabilita.

Addebito completo o parziale

Tuttavia, la pratica dimostra: le batterie agli ioni di litio più potenti possono accettare un livello di tensione più elevato, a condizione che venga alimentato per un breve periodo.

Con questa opzione, l'efficienza di ricarica è di circa il 99% e la cella rimane fredda durante l'intero tempo di ricarica. È vero, alcune batterie agli ioni di litio si riscaldano di 4-5°C quando sono completamente cariche.

Forse questo è dovuto alla protezione o all'elevata resistenza interna. Per tali batterie, la carica deve essere interrotta quando la temperatura supera i 10°C a una velocità di carica moderata.

Batterie agli ioni di litio nel caricatore durante la ricarica. L'indicatore mostra quando le batterie sono completamente cariche. Un ulteriore processo minaccia di danneggiare le batterie

I sistemi a miscela di cobalto sono completamente carichi alla soglia di tensione. In questo caso la corrente scende fino al 3-5% della nominale.

La batteria mostrerà una carica completa anche quando viene raggiunto un certo livello di capacità, che rimane invariato per lungo tempo. La ragione di ciò potrebbe essere un aumento dell'autoscarica della batteria.

Aumento della corrente di carica e della carica di saturazione

Va notato che l'aumento della corrente di carica non accelera il raggiungimento di uno stato di piena carica. Il litio raggiungerà la sua tensione di picco più velocemente, ma ci vorrà più tempo per caricarsi fino a quando la capacità non sarà completamente saturata. Tuttavia, caricare la batteria con una corrente elevata aumenta rapidamente la capacità della batteria a circa il 70%.

Le batterie agli ioni di litio non devono essere completamente caricate, come nel caso dei dispositivi al piombo. Inoltre, è proprio questa opzione di ricarica che è indesiderabile per gli ioni di litio. In effetti, è meglio non caricare completamente la batteria perché l'alta tensione "sforza" la batteria.

La selezione di una soglia di tensione più bassa o l'esaurimento completo della carica di saturazione contribuirà a prolungare la durata della batteria agli ioni di litio. È vero, questo approccio è accompagnato da una diminuzione del tempo di rilascio di energia dalla batteria.

Va notato qui: i caricabatterie per uso domestico, di regola, funzionano alla massima potenza e non supportano la regolazione della corrente di carica (tensione).

I produttori di caricabatterie domestici agli ioni di litio considerano la lunga durata della batteria meno importante del costo di complicare i circuiti.

Caricabatterie agli ioni di litio

Alcuni caricabatterie domestici economici seguono spesso una metodologia semplificata. Caricare la batteria agli ioni di litio per un'ora o meno, senza passare alla carica di saturazione.

L'indicatore di pronto su tali dispositivi si accenderà quando la batteria raggiunge la soglia di tensione nella prima fase. Allo stesso tempo, lo stato di carica è di circa l'85%, che spesso soddisfa molti utenti.

Questo caricabatterie di produzione nazionale viene offerto per funzionare con varie batterie, comprese le batterie agli ioni di litio. Il dispositivo ha un sistema di regolazione della tensione e della corrente, che è già buono

I caricabatterie professionali (costosi) si distinguono per il fatto di abbassare la soglia della tensione di carica, allungando così la vita della batteria agli ioni di litio.

La tabella mostra le potenze calcolate durante la ricarica con tali dispositivi a diverse soglie di tensione, con e senza carica di saturazione:

Tensione di carica, V/cella	Capacità di interruzione dell'alta tensione,%	Tempo di ricarica, min	Capacità a piena saturazione,%
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

Non appena la batteria agli ioni di litio inizia a caricarsi, la tensione aumenta rapidamente. Questo comportamento è paragonabile al sollevamento di un carico con un elastico quando c'è un effetto di ritardo.

La capacità verrà raggiunta quando la batteria è completamente carica. Questa caratteristica di carica è tipica di tutte le batterie.

Maggiore è la corrente di carica, più luminoso è l'effetto elastico. La bassa temperatura o la presenza di una cella con un'elevata resistenza interna non fa che aumentare l'effetto.

La struttura di un accumulatore agli ioni di litio nella sua forma più semplice: 1- meno bus di rame; 2 - binario positivo in alluminio; 3 - anodo di ossido di cobalto; 4- catodo di grafite; 5 - elettrolita

Non è pratico stimare lo stato di carica leggendo la tensione di una batteria carica. La misurazione della tensione a circuito aperto (senza carico) dopo che la batteria è rimasta a riposo per diverse ore è il miglior indicatore di valutazione.

Come con altre batterie, la temperatura influisce sul minimo allo stesso modo in cui influisce sul materiale attivo di una batteria agli ioni di litio. , laptop e altri dispositivi è stimato contando i ciondoli.

Batteria agli ioni di litio: soglia di saturazione

La batteria agli ioni di litio non è in grado di assorbire la carica in eccesso. Pertanto, quando la batteria è completamente satura, la corrente di carica deve essere rimossa immediatamente.

Una carica a corrente costante può portare alla metallizzazione delle celle al litio, che viola il principio di garantire il funzionamento sicuro di tali batterie.

Per ridurre al minimo la formazione di difetti, scollegare la batteria agli ioni di litio il prima possibile quando raggiunge il suo picco di carica.

Questa batteria non richiederà più la carica che dovrebbe. A causa di una carica impropria, ha perso le sue principali proprietà di accumulo di energia.

Non appena la carica è terminata, la tensione della batteria agli ioni di litio inizia a diminuire. L'effetto di ridurre lo stress fisico si manifesta.

Per qualche tempo, la tensione a circuito aperto sarà distribuita tra le celle caricate in modo non uniforme con una tensione di 3,70 V e 3,90 V.

Qui, viene anche attirata l'attenzione sul processo quando una batteria agli ioni di litio, che ha ricevuto una carica completamente saturata, inizia a caricare una batteria adiacente (se inclusa nel circuito), che non ha ricevuto una carica di saturazione.

Quando le batterie agli ioni di litio devono essere sempre mantenute nel caricabatterie per assicurarsi che siano pronte, fare affidamento su caricabatterie dotati di una funzione di carica di mantenimento.

Il caricabatterie con funzione di carica di mantenimento si accende quando la tensione a circuito aperto scende a 4,05 V/I e si spegne quando la tensione raggiunge i 4,20 V/I.

I caricabatterie progettati per il funzionamento in linea o in standby spesso riducono la tensione della batteria a 4,00 V/I e caricano solo le batterie agli ioni di litio a 4,05 V/I, impedendo loro di raggiungere il livello completo di 4,20 V/I.

Questa tecnica riduce la tensione fisica, intrinsecamente associata alla tensione tecnica, e aiuta a prolungare la durata della batteria.

Carica batterie senza cobalto

Le batterie tradizionali hanno una tensione nominale delle celle di 3,60 volt. Tuttavia, per i dispositivi che non contengono cobalto, la valutazione è diversa.

Quindi, le batterie al fosfato di litio hanno un valore nominale di 3,20 volt (tensione di carica 3,65 V). E le nuove batterie al litio-titanato (prodotte in Russia) hanno una tensione nominale delle celle di 2,40 V (ricarica 2,85).

Gli accumulatori al fosfato di litio sono dispositivi di accumulo di energia che non contengono cobalto nella loro struttura. Questo fatto cambia in qualche modo le condizioni per caricare tali batterie.

I caricabatterie tradizionali non sono adatti per tali batterie, poiché sovraccaricano la batteria con la minaccia di un'esplosione. Al contrario, un sistema di ricarica per batterie prive di cobalto non fornirà una carica sufficiente di 3,60 V per una tradizionale batteria agli ioni di litio.

Superata la carica della batteria agli ioni di litio

La batteria agli ioni di litio funziona in sicurezza entro i voltaggi operativi specificati. Tuttavia, le prestazioni della batteria diventano instabili se vengono caricate oltre i limiti operativi.

La ricarica a lungo termine di una batteria agli ioni di litio con una tensione superiore a 4,30 V, progettata per una potenza operativa di 4,20 V, è irta di metallizzazione al litio dell'anodo.

Il materiale del catodo, a sua volta, acquisisce le proprietà di un agente ossidante, perde la sua stabilità ed emette anidride carbonica.

La pressione della cella della batteria aumenta e se la carica continua, il dispositivo di protezione interno interviene a pressioni comprese tra 1000 kPa e 3180 kPa.

Se la pressione continua ad aumentare dopo questo, la membrana protettiva si apre a una pressione di 3.450 kPa. In questo stato, la cella di una batteria agli ioni di litio è sull'orlo dell'esplosione e alla fine è esattamente ciò che accade.

Struttura: 1 - copertura superiore; 2 - isolante superiore; 3 - lattina d'acciaio; 4 - isolante inferiore; 5 - scheda dell'anodo; 6 - catodo; 7 - separatore; 8 - anodo; 9 - scheda del catodo; 10 - sfogo; 11 - PTC; 12 - guarnizione

L'operazione di protezione all'interno della batteria agli ioni di litio è associata ad un aumento della temperatura del contenuto interno. Una batteria completamente carica ha una temperatura interna più alta di una parzialmente carica.

Pertanto, le batterie agli ioni di litio sembrano essere più sicure se caricate a bassi livelli. Ecco perché le autorità di alcuni paesi richiedono l'uso di batterie agli ioni di litio negli aerei, saturate con energia non superiore al 30% della loro piena capacità.

La soglia di temperatura interna delle batterie a pieno carico è:

• 130-150°C (per litio-cobalto);
• 170-180°C (per nichel-manganese-cobalto);
• 230-250°C (per litio-manganese).

Va notato che le batterie al litio fosfato hanno una migliore stabilità della temperatura rispetto alle batterie al litio manganese. Le batterie agli ioni di litio non sono le uniche a rappresentare un pericolo in caso di sovraccarico di energia.

Ad esempio, anche le batterie piombo-nichel sono soggette a fusione e successiva accensione se la saturazione energetica viene eseguita in violazione del regime del passaporto.

Pertanto, l'uso di caricabatterie perfettamente abbinati alla batteria è di fondamentale importanza per tutte le batterie agli ioni di litio.

Alcune conclusioni dall'analisi

La ricarica delle batterie agli ioni di litio è semplificata rispetto ai sistemi al nichel. Il circuito di carica è lineare, con limitazioni di tensione e corrente.

Un tale circuito è molto più semplice di un circuito che analizza le firme di tensione complesse che cambiano quando viene utilizzata la batteria.

Il processo di energizzazione delle batterie agli ioni di litio consente interruzioni, queste batterie non devono essere completamente sature, come nel caso delle batterie al piombo.

Circuito di controllo per batterie agli ioni di litio a bassa potenza. Una soluzione semplice con un minimo di dettagli. Ma il circuito non fornisce una condizione del ciclo che mantenga una lunga durata.

Le proprietà delle batterie agli ioni di litio promettono vantaggi nel funzionamento delle fonti energetiche rinnovabili (pannelli solari e turbine eoliche). In genere, una turbina eolica o un generatore raramente forniscono una carica completa della batteria.

Per gli ioni di litio, l'assenza di requisiti di carica di mantenimento semplifica il circuito del regolatore di carica. Una batteria agli ioni di litio non richiede un controller di equalizzazione di tensione e corrente come fanno le batterie al piombo.

Tutti i caricabatterie domestici e la maggior parte dei caricabatterie industriali agli ioni di litio caricheranno completamente la batteria. Tuttavia, i caricabatterie agli ioni di litio esistenti generalmente non forniscono la regolazione della tensione alla fine del ciclo.