Durata de funcționare a smartphone-urilor moderne fără reîncărcare este determinată de bateria lor și de caracteristicile acesteia.
Ce fel de baterii sunt?
Bateriile nichel-cadmiu (Ni-Cd) și nichel-hidrură metalică (Ni-MH) nu mai sunt relevante - au funcționat bine mult timp, dar au avut o serie de dezavantaje. În gadgeturile noastre, în cele mai multe cazuri, se folosesc baterii pe bază de litiu - litiu-ion (Li-Ion) și litiu-polimer (Li-Pol).
Una dintre principalele caracteristici ale unei baterii este capacitatea sa. Acesta determină câtă energie electrică poate stoca bateria și cât timp poate funcționa dispozitivul în mod autonom. Cele mai comune baterii sunt cele cu o capacitate de 2.000 până la 3.000 mAh (miliamperi/oră). Dimensiunile surselor de litiu-ion rămân foarte compacte, spre deosebire de predecesorii lor.
Bateriile litiu-polimer diferă de bateriile litiu-ion într-o varietate de forme geometrice și, ceea ce este deosebit de important acum, prin grosimea lor minimă, care începe de la 1 mm. Acest lucru le permite să fie folosite în smartphone-uri foarte subțiri.
Bateriile cu litiu au o durată de viață lungă atunci când sunt utilizate corect. Producătorii multor smartphone-uri cunoscute au asigurat înlocuirea bateriei doar în centrul de service, făcând corpul dispozitivului monolitic, iar capacul din spate și bateria nu sunt detașabile. Fără echipament și cunoștințe speciale, utilizatorul nu va putea efectua această operațiune pe cont propriu.
Temperatura în timpul funcționării. Capacitatea bateriei este direct afectată. Temperatura ridicată promovează stocarea mai rapidă a energiei, la temperatură scăzută capacitatea scade semnificativ. Dacă utilizați unul insuficient încărcat, acesta se va descărca rapid. Mai mult, există riscul de a reduce încărcarea la zero, ceea ce este extrem de nedorit - bateriile cu litiu suferă de o descărcare completă.
Și situația inversă. Un smartphone încărcat 100% este folosit în lumina directă a soarelui. Figurat vorbind, în acest caz, 100% din sarcină se transformă în 110% și se obține un surplus de energie electrică acumulată, ceea ce poate duce la o scădere a capacității.
Pe baza acestui lucru, merită să respectați condițiile de temperatură ale gadgetului. Și nu vorbim despre încălzirea naturală în timpul utilizării active - o astfel de creștere a temperaturii pentru baterie nu reprezintă un pericol
Timp de încărcare și încărcător. Fiecare sursă de litiu este echipată cu un controler special care trebuie să o protejeze de excesul de curent. Când se atinge o încărcare completă, curentul de intrare este întrerupt.
Sunt posibile erori și inexactități în funcționarea controlerului, ceea ce duce la supraîncărcare. Uneori, acest lucru se datorează utilizării încărcătoarelor pentru smartphone-uri neoriginale. Nu este recomandat să lăsați un smartphone de încărcare în priză pentru o perioadă lungă de timp după ce ajunge la o încărcare completă. De asemenea, trebuie să utilizați încărcătoare originale sau ale căror parametri.
Bateriile cu litiu trebuie încărcate fără a aștepta ca dispozitivul să se oprească complet, de exemplu, cu 10-15% din încărcarea reziduală. Ele pot fi alimentate ori de câte ori este posibil în timpul zilei, de exemplu, de la portul USB al unui computer de serviciu sau într-o mașină. Nu este necesar să obțineți o încărcare completă.
Depozitare. Dacă proprietarul smartphone-ului intenționează să nu folosească dispozitivul pentru o perioadă lungă de timp, nivelul recomandat de încărcare a bateriei în acest caz ar trebui să fie de aproximativ 50%.
Bateriile cu litiu sunt încărcate de aproximativ 1200 de ori. Aritmetica simplă sugerează că durata de viață a bateriei va dura cel puțin 3 ani. Urmând instrucțiunile de mai sus, puteți prelungi durata de viață a bateriei.
Care este larg răspândită în echipamentele electronice moderne de uz casnic și își găsește aplicarea ca sursă de energie în vehiculele electrice și în sistemele de stocare a energiei în sistemele energetice. Este cel mai popular tip de baterie în dispozitive precum telefoane mobile, laptopuri, vehicule electrice, camere digitale și camere video. Prima baterie litiu-ion a fost lansată de Sony Corporation în 1991.
Specificații
Bateriile litiu-ion prezintă următoarele caracteristici, în funcție de schema electrochimică:
- Tensiunea unei singure celule este de 3,6 V.
- Tensiune maximă 4,2 V, minim 2,5-3,0 V. Încărcătoarele mențin o tensiune în intervalul 4,05-4,2 V
- Densitate de energie: 110 ... 230 W * h / kg
- Rezistenta interna: 5 ... 15 mOhm / 1Ah
- Număr de cicluri de încărcare/descărcare până la pierderea capacității de 20%: 1000-5000
- Timp de încărcare rapidă: 15 min - 1 oră
- Autodescărcare la temperatura camerei: 3% pe lună
- Curent de sarcină raportat la capacitate (C):
- constantă - până la 65 ° C, pulsată - până la 500 ° C
- cel mai acceptabil: până la 1C
- Interval de temperatură de funcționare: −0 ... +60 ° C (încărcarea bateriei nu este posibilă la temperaturi negative)
Dispozitiv
Bateria litiu-ion este formată din electrozi (material catodic pe folie de aluminiu și material anodic pe folie de cupru) separați prin separatoare poroase impregnate cu electrolit. Pachetul de electrozi este plasat într-o carcasă etanșă, catozii și anozii sunt conectați la bornele colectorului de curent. Corpul are o supapă de siguranță care eliberează presiunea internă în caz de urgență și încălcarea condițiilor de funcționare. Bateriile litiu-ion diferă în ceea ce privește tipul de material catodic utilizat. Purtătorul de curent dintr-o baterie litiu-ion este un ion de litiu încărcat pozitiv, care are capacitatea de a fi încorporat (intercalat) în rețeaua cristalină a altor materiale (de exemplu, grafit, oxizi și săruri metalice) cu formarea unui legătură chimică, de exemplu: în grafit cu formare de LiC6, oxizi (LiMO 2) și săruri metalice (LiM RON). Inițial, litiu metalic a fost folosit ca plăci negative, apoi cocs de cărbune. În viitor, grafitul a început să fie folosit. Până de curând, oxizii de litiu cu cobalt sau mangan erau utilizați ca plăci pozitive, dar sunt din ce în ce mai mult înlocuiți cu ferofosfat de litiu, care s-a dovedit a fi sigur, ieftin și netoxic și poate fi reciclat într-un mod ecologic. Bateriile litiu-ion sunt utilizate în combinație cu un sistem de control și management - BMS sau BMS (sistem de management al bateriei) și un dispozitiv special de încărcare/descărcare. În prezent, trei clase de materiale catodice sunt utilizate în producția de masă a bateriilor litiu-ion: - cobaltat de litiu LiCoO 2 și soluții solide pe bază de nichelat de litiu izostructural - spinel litiu mangan LiMn 2 O 4 - ferofosfat de litiu LiFePO 4. Scheme electrochimice ale bateriilor litiu-ion: litiu-cobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi + C6 litiu-fero-fosfat LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi + C6
Datorită auto-descărcării reduse și a numărului mare de cicluri de încărcare-descărcare, bateriile Li-ion sunt cele mai preferate pentru utilizarea în energie alternativă. Mai mult decât atât, pe lângă sistemul BMS (IMS), acestea sunt echipate cu invertoare (convertoare de tensiune).
Avantaje
- Densitate mare de energie.
- Autodescărcare scăzută.
- Lipsa efectului de memorie.
- Fără întreținere.
Defecte
Bateriile Li-ion din prima generație au fost supuse efectelor explozive. Acest lucru s-a datorat faptului că au folosit un anod metalic de litiu, pe care, în procesul de cicluri multiple de încărcare/descărcare, au apărut formațiuni spațiale (dendrite), ducând la închiderea electrozilor și, ca urmare, la incendiu sau explozie. . Această problemă a fost în cele din urmă rezolvată prin înlocuirea materialului anodului cu grafit. Procese similare au avut loc și pe catozii bateriilor litiu-ion pe bază de oxid de cobalt când au fost încălcate condițiile de funcționare (supraîncărcare). Bateriile cu litiu-fero-fosfat sunt complet lipsite de aceste dezavantaje. În plus, toate bateriile moderne litiu-ion au circuite electronice încorporate pentru a preveni supraîncărcarea și supraîncălzirea din cauza supraîncărcării.
Bateriile Li-ion cu descărcare necontrolată pot avea un ciclu de viață mai scurt decât alte tipuri de baterii. Când sunt complet descărcate, bateriile litiu-ion își pierd capacitatea de a se încărca atunci când tensiunea de încărcare este conectată. Această problemă poate fi rezolvată prin aplicarea unui impuls de tensiune mai mare, dar acest lucru afectează negativ performanța ulterioară a bateriilor litiu-ion. „Durata” maximă a unei baterii Li-ion este atinsă atunci când încărcarea este limitată de sus la 95% și descărcarea este de 15–20%. Acest mod de operare este susținut de sistemul de monitorizare și control BMS (BMS), care este inclus cu orice baterie litiu-ion.
Condițiile optime de depozitare pentru bateriile Li-ion sunt atinse la un nivel de încărcare de 40–70% din capacitatea bateriei și o temperatură de aproximativ 5 ° C. În acest caz, temperatura scăzută este mai importantă pentru pierderile reduse de capacitate în timpul depozitării pe termen lung. Durata medie de valabilitate (durata de viata) a unei baterii litiu-ion este in medie de 36 de luni, desi poate varia intre 24 si 60 de luni.
Pierderea capacității de stocare:
| temperatura | cu taxa de 40%. | cu încărcare 100%. |
|---|---|---|
| 0 ⁰C | 2% pe an | 6% pe an |
| 25 ⁰C | 4% pe an | 20% pe an |
| 40 ⁰C | 15% pe an | 35% pe an |
| 60 ⁰C | 25% pe an | 40% pentru trei luni |
Conform tuturor reglementărilor actuale pentru depozitarea și funcționarea bateriilor litiu-ion, pentru a asigura o păstrare pe termen lung, este necesară reîncărcarea acestora până la 70% din capacitatea lor o dată la 6-9 luni.
Vezi si
Note (editare)
Literatură
- Hrustalev D.A. Acumulatori. M: Smarald, 2003.
- Yuri Filippovsky Mâncare mobilă. Partea 2. (RU). ComputerraLab (26 mai 2009). - Articol detaliat despre bateriile Li-ion .. Recuperat la 26 mai 2009.
Legături
- GOST 15596-82 Termeni și definiții.
- GOST 61960-2007 Acumulatoare cu litiu și baterii de stocare
- Baterii litiu-ion și litiu-polimer. iXBT (2001)
- Baterii domestice litiu-ion
| Celulă galvanică | Daniel Galvanic Cell | Element alcalin | | Element uscat | Element de concentrare | Celulă de zinc cu aer | Element Weston normal |
|---|---|
| Acumulatoare electrice | Acid de plumb | Argint-zinc | Nichel-Cadmiu | Hidrură de metal de nichel | Baterie nichel-zinc | Ioni de litiu | Polimer de litiu | Sulfur de fier de litiu | Fosfat de fier de litiu | Titanat de litiu | Vanadiu | Fier-nichel |
| Celule de combustibil | Metanol direct | Oxid solid | Alcalin |
| Modele | Baterie | Baterie electrică | Celule de combustibil |
| Dispozitiv | |
Diferite subspecii ale sistemului electrochimic cu ioni de litiu sunt denumite în funcție de tipul substanței lor active și pot fi notate atât în cuvinte întregi, cât și într-o formă scurtă - prin formule chimice. La ce sunt unite bateriile cu litiu se referă toate baterii sigilate fără întreținere... Astfel de formule nu sunt foarte convenabile pentru citire sau memorare din cauza complexității lor, prin urmare sunt și ele simplificate - abrevierea literei.
De exemplu, cobaltita de litiu, unul dintre cele mai comune materiale pentru bateriile litiu-ion, are formula chimică LiCoO2 și este prescurtat ca LCO. Din motive de simplitate, poate fi folosită și forma verbală scurtă „litiu-cobalt”. Cobaltul este principala substanță activă și tocmai pentru aceasta se caracterizează tipul de baterie. Alte tipuri de sisteme electrochimice litiu-ion sunt, de asemenea, reduse la o formă scurtă. Această secțiune listează cele mai comune șase tipuri de Li-ion.
1. Baterie litiu-cobalt (LiCoO2)
Conținutul ridicat de energie specifică face din bateria cu litiu-cobalt o alegere populară pentru telefoane mobile, laptopuri și camere digitale. Bateria este formată dintr-un anod de grafit și un catod de oxid de cobalt. Catodul are o structură stratificată, iar în timpul descărcării, ionii de litiu se deplasează către el din anod. La încărcare, direcția este inversată. Dezavantajele bateriilor cu litiu-cobalt sunt durata de viață relativ scurtă, stabilitatea termică scăzută și capacitatea de încărcare limitată (densitatea de putere). Figura 1 prezintă structura unei astfel de baterii.
Figura 1: Structura unei baterii cu litiu-cobalt.În timpul descărcării, ionii de litiu se deplasează de la anod la catod, iar în timpul încărcării, de la catod la anod.
Bateria cu litiu-cobalt nu poate fi încărcată sau descărcată la niveluri de amperaj peste ea. Evaluare C... Aceasta înseamnă că o celulă de 2400mAh 18650 poate fi încărcată sau descărcată cu cel mult 2400mA. Forțarea unei încărcări rapide sau conectarea unei sarcini care necesită mai mult de 2400 mA va duce la stres excesiv și supraîncălzire. Pentru încărcare rapidă, producătorii recomandă un rating C de 0,8C sau aproximativ 2000mA. Când utilizați sistemul de protecție a bateriei, acesta limitează automat încărcarea și descărcarea la un nivel sigur de aproximativ 1C.
Figura 2: Baterie medie estimată cu litiu-cobalt. Sistemul electrochimic cu litiu-cobalt se remarcă prin conținutul ridicat de energie specifică, dar oferă valori medii pentru puterea specifică, siguranță și durata de viață.
Tabel de caracteristici
| Cobaltit de litiu: catod LiCoO2 (~ 60% cobalt), anod de grafit Denumire prescurtată: LCO sau Li-cobalt Proiectat în 1991 |
|
| Voltaj | 3,60 V nominal; interval de funcționare standard - 3,0-4,2 V |
| Consum specific de energie | 150-200 W * h / kg; modelele specializate oferă până la 240 W * h / kg |
| Evaluare C de încărcare | 0.7-1C, tensiune de încărcare 4.20V (majoritatea modelelor); procesul de încărcare durează de obicei 3 ore; încărcarea cu un amperaj mai mare de 1C va scurta durata de viață a bateriei |
| Categoria de rating C | 1C; la o tensiune sub 2,50 V se declanșează dispozitivul de întrerupere; descărcarea cu un amperaj mai mare de 1C va scurta durata de viață a bateriei |
| 500-1000, depinde de adâncimea descărcărilor, sarcină, temperaturi | |
| Defalcare termică | De obicei, la 150 ° C. Încărcarea completă promovează defalcarea termică |
| Domenii de utilizare | Telefoane mobile, tablete, laptopuri, camere |
| Un comentariu | Intensitate energetică specifică foarte mare, putere specifică limitată. Costul ridicat al cobaltului. Servește în zonele în care este necesară o capacitate mare. Are o cerere stabilă pe piață. |
Tabelul 3: Caracteristicile bateriei cu litiu-cobalt.
2. Baterie cu litiu mangan (LiMn2O4)
Dispozitivul bateriei litiu-ion spinel mangan a fost publicat pentru prima dată în Materials Research Bulletin în 1983. În 1996, Moli Energy a comercializat o celulă litiu-ion cu spinel litiu-mangan ca material catod. Structura tridimensională a spinelului îmbunătățește fluxul de ioni la electrod, ceea ce are ca rezultat o rezistență internă redusă și o manipulare îmbunătățită a curentului. Un alt avantaj al spinelului este stabilitatea sa termică ridicată, dar durata de viață și numărul de cicluri sunt limitate.
Rezistența internă scăzută a unei astfel de celule asigură o încărcare rapidă și o valoare posibilă ridicată a curentului de descărcare. La dimensiunea 18650, bateria litiu-mangan poate fi descărcată cu un curent de 20-30 A cu acumulare moderată de căldură. În plus, este capabil să reziste la impulsuri de până la 50 A timp de una până la două secunde. O sarcină continuă de 50 A va duce la încălzirea bateriei, care nu trebuie să depășească 80 ° C pentru a evita degradarea. Bateriile cu litiu-mangan sunt folosite pentru unelte de mare putere, echipamente medicale și vehicule hibride și electrice.
Figura 4 este o ilustrare grafică a cadrului cristalin tridimensional al materialului catodic. Acest material este spinelul, în care structura inițială a rețelei în formă de diamant este transformată într-una tridimensională.
Figura 4: Structura unei baterii litiu-mangan. Catodul spinel cristalin litiu mangan are o structură cadru tridimensională care apare după formarea inițială. Spinelul oferă rezistență scăzută, dar are o densitate energetică mai moderată decât cobaltul.
Capacitatea unei baterii cu litiu-mangan este cu aproximativ o treime mai mică decât capacitatea unei baterii cu litiu-cobalt. Flexibilitatea designului vă permite să optimizați bateria pentru diferite sarcini și să creați modele cu indicatori îmbunătățiți de durabilitate, densitate de putere sau densitate specifică de energie. De exemplu, versiunea în dimensiunea 18650 cu indicatoare de putere îmbunătățite are o capacitate de doar 1100 mAh, în timp ce versiunea optimizată pentru capacitate este de 1500 mAh.
Figura 5 prezintă o diagramă hexagonală a unei baterii tipice cu litiu-mangan. Performanța poate să nu sune deosebit de impresionantă, dar evoluțiile recente au îmbunătățit densitatea puterii, siguranța și durata de viață.
Figura 5: Caracteristicile unei baterii convenționale cu litiu mangan.În ciuda performanței generale moderate, noile modele prezintă o densitate de putere, siguranță și speranță de viață îmbunătățite.
Majoritatea bateriilor litiu-mangan sunt combinate cu baterii litiu-nichel-mangan-cobalt (NMC) pentru a crește densitatea energiei și a prelungi durata de viață. Această alianță valorifică punctele forte ale ambelor sisteme și se numește LMO (NMC). Aceste baterii combinate sunt folosite în majoritatea vehiculelor electrice, cum ar fi Nissan Leaf, Chevy Volt și BMW i3. LMO - partea unei astfel de baterii, care este de aproximativ 30%, oferă capacități mari de accelerație ale motorului electric, iar partea NMC este responsabilă pentru dimensiunea kilometrajului autonom.
Cercetarea în sistemul litiu-ion tinde într-o mare măsură să combine celulele litiu-mangan cu celulele nichel-mangan-cobalt. Aceste trei metale active pot fi combinate cu ușurință pentru a obține rezultatul dorit, fie că este vorba de creșterea densității de putere, a performanței la sarcină sau a longevității bateriei. Această gamă largă de capabilități este necesară pentru a satisface aceeași abordare tehnologică și piața bateriilor de consum, cu capacitate în primul rând; și industrie în care sunt necesare sisteme de baterii cu caracteristici bune de sarcină, durată lungă de viață și funcționare sigură și fiabilă.
Tabel de caracteristici
| Spinel de litiu mangan: catod LiMn2O4, anod de grafit Denumire prescurtată: LNO sau Li-mangan (structură spinelului) Dezvoltat în 1996 |
|
| Voltaj | 3,70 V (3,80 V) nominal interval de funcționare standard - 3,0-4,2 V |
| Consum specific de energie | 100-150 W * h / kg |
| Evaluare C de încărcare | Standard 0,7-1C; 3C maxim; incarca pana la 4,20 V (majoritatea bateriilor) |
| Categoria de rating C | Standard 1C; sunt modele cu 10C; modul de funcționare cu puls (până la 5 secunde) - 50C; la 2,50 V se declanșează închiderea |
| Numărul de cicluri de încărcare/descărcare | 300-700 (depinde de adâncimea descărcărilor și de temperatură) |
| Defalcare termică | De obicei, la 250 ° C. Încărcarea completă promovează defalcarea termică |
| Domenii de utilizare | Scule electrice, echipamente medicale, unități electrice |
| Un comentariu | Putere mare, dar capacitate moderată; mai sigur decât litiu-cobaltul; folosit de obicei împreună cu NMC |
Tabelul 6: Caracteristicile bateriei cu litiu mangan.
3. Baterie cu litiu nichel mangan cobalt oxid (LiNiMnCoO2 sau NMC)
Una dintre cele mai de succes opțiuni pentru realizarea unui sistem electrochimic cu ioni de litiu este combinația de nichel, mangan și cobalt (NMC) în catod. Prin analogie cu sistemele litiu-mangan, aceste sisteme pot fi optimizate pentru capacitate sau putere. De exemplu, o baterie NMC 18650 pentru sarcină moderată are o capacitate de 2800 mAh și poate furniza 4-5 A de amperaj; iar varianta in aceeasi dimensiune standard, dar optimizata pentru indicatoare de putere, are o capacitate de doar 2000 mAh, dar curentul maxim de descărcare este de 20 A. Indicatorul de capacitate poate fi crescut la 4000 mAh daca se adauga siliciu la anod. Dar, pe de altă parte, acest lucru va reduce semnificativ caracteristicile de încărcare și durabilitatea unei astfel de baterii. Astfel de proprietăți ambigue ale siliciului apar datorită extinderii și contracției sale în timpul încărcării și descărcării, ceea ce duce la instabilitatea mecanică a designului bateriei.
Secretul tehnologiei NMC constă în combinația dintre nichel și mangan. O analogie poate fi sarea de masă obișnuită, unde, individual, componentele sale, sodiu și clor, sunt foarte toxice, dar combinația lor formează o substanță alimentară utilă. Nichelul este cunoscut pentru conținutul ridicat de energie specifică, dar stabilitatea scăzută; manganul, in schimb, are un avantaj sub forma unei structuri spinel, care asigura rezistenta interna scazuta, dar duce si la dezavantajul unui continut scazut de energie specifica. Combinația acestor metale vă permite să compensați neajunsurile celuilalt și să folosiți pe deplin punctele forte.
Bateriile NMC sunt folosite pentru unelte electrice, biciclete electrice și alte sisteme de propulsie. Compoziția catodului, de regulă, combină nichelul, manganul și cobaltul în părți egale, adică fiecare metal ocupă o treime din volumul total. Această distribuție este cunoscută și ca 1-1-1. Combinația în acest raport este avantajoasă în ceea ce privește costul său, deoarece conținutul de cobalt scump este relativ scăzut în comparație cu alte versiuni ale bateriei. O altă combinație de succes de NMC conține 5 părți nichel, 3 părți cobalt și 2 părți mangan. Experimentele pentru a găsi combinații de succes ale acestor substanțe active continuă și astăzi. Figura 7 prezintă caracteristicile bateriei NMC.
Figura 7: Evaluarea caracteristicilor bateriei NMC. NMC are o performanță generală bună și o densitate energetică excelentă. Această baterie este alegerea preferată pentru vehiculele electrice și are cea mai mică rată de autoîncălzire.
Recent, familia NMC de baterii litiu-ion a devenit cea mai populară, deoarece datorită posibilității unei combinații de substanțe active, a devenit posibilă proiectarea unei baterii economice cu performanțe bune. Nichelul, manganul și cobaltul pot fi amestecate cu ușurință pentru a îndeplini o gamă largă de cerințe pentru transportul electric sau sistemele de stocare a energiei care necesită cicluri regulate. Familia de baterii NMC se dezvoltă activ în diversitatea sa.
Tabel de caracteristici
| Litiu Nichel Mangan Cobalt Oxid: catod LiNiMnCoO2, anod grafit Denumire prescurtată: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN similar cu o combinație de metale) Dezvoltat în 2008 |
|
| Voltaj | 3,60-3,70 V nominal; interval de funcționare standard - 3,0-4,2 V per celulă sau mai mare |
| Consum specific de energie | 150-220 W * h / kg |
| Evaluare C de încărcare | 0,7-1C, încărcare până la 4,20 V, la unele modele până la 4,30 V; procesul de încărcare durează de obicei 3 ore; încărcarea cu un amperaj mai mare de 1C va scurta durata de viață a bateriei |
| Categoria de rating C | 1C; unele modele suportă 2C; la 2,50 V se declanșează închiderea |
| Numărul de cicluri de încărcare/descărcare | |
| Defalcare termică | De obicei, la 210 ° C. Încărcarea completă promovează defalcarea termică |
| Domenii de utilizare | E-biciclete, echipamente medicale, e-mașini, industrie |
| Un comentariu | Oferă capacitate și putere mare. Gamă largă de aplicații practice, cota de piață crește rapid |
Tabelul 8: Caracteristicile bateriei cu litiu nichel mangan cobalt oxid (NMC).
4. Baterie litiu cu fosfat de fier (LiFePO4)
În 1996, Universitatea din Texas a efectuat cercetări, care au dus la descoperirea unui nou material pentru catod. baterie litiu-ion- fosfat de fier. Sistemul cu fosfat de litiu are proprietăți electrochimice bune și rezistență internă scăzută. Principalele avantaje ale unor astfel de baterii sunt amperajul ridicat și durata de viață lungă, în plus, au stabilitate termică bună, siguranță sporită și rezistență la utilizare greșită.
Bateriile cu fosfat de litiu sunt mai rezistente la supraîncărcare; dacă li se aplică o tensiune înaltă pentru o perioadă lungă de timp, atunci consecințele de degradare vor fi considerabil mai mici în comparație cu alte baterii litiu-ion. Dar tensiunea celulei de 3,20 V scade densitatea de energie specifică la un nivel chiar mai mic decât cel al unei baterii cu litiu-mangan. Pentru majoritatea bateriilor electrice, temperaturile scăzute vor reduce performanța, iar temperaturile calde vor scurta durata de viață a bateriei, iar sistemul cu fosfat de litiu nu face excepție. De asemenea, are o rată de auto-descărcare mai mare decât alte baterii litiu-ion. Figura 9 prezintă caracteristicile unei baterii cu fosfat de litiu.
Bateriile cu fosfat de litiu sunt adesea folosite ca înlocuitori pentru bateriile de pornire cu plumb acid. Patru celule ale unei astfel de baterii vor furniza o tensiune de 12,8 V - similară tensiunii a șase celule de doi volți de plumb acid. Alternatorul vehiculului reîncarcă bateria cu plumb acid la 14,40 V (2,40 V per celulă). Pentru patru celule cu fosfat de litiu, limita de tensiune va fi de 3,60 V, după ce reîncărcarea trebuie oprită, ceea ce nu se întâmplă într-un vehicul convențional. Bateriile cu fosfat de litiu sunt rezistente la supraîncărcare, dar chiar și se degradează cu stocarea prelungită la înaltă tensiune. Temperaturile scăzute pot fi, de asemenea, o problemă atunci când utilizați o baterie cu fosfat de litiu ca înlocuitor pentru o baterie de pornire convențională.
Figura 9: Evaluarea caracteristicilor unei baterii cu fosfat de litiu. Sistemul electrochimic cu fosfat de litiu oferă o siguranță excelentă și o durată lungă de viață, dar conținutul de energie specifică este moderat și, de asemenea, merită remarcată o autodescărcare ridicată.
Tabel de caracteristici
| Ferofosfat de litiu: catod LiFePO4, anod de grafit Denumire prescurtată: LFP sau Li-fosfat |
|
| Voltaj | 3,20, 3,30 V nominal; interval de funcționare standard - 2,5-3,65 V per celulă |
| Consum specific de energie | 90-120 W * h / kg |
| Evaluare C de încărcare | 1C standard, încărcare până la 3,65 V; procesul de încărcare durează de obicei 3 ore |
| Categoria de rating C | 1C; în unele versiuni până la 25C; 40 A curenți de impuls (până la 2 secunde); la 2,50 V, dispozitivul de întrerupere este declanșat (tensiunea sub 2 V este dăunătoare) |
| Numărul de cicluri de încărcare/descărcare | 1000-2000 (depinde de adâncimea descărcărilor și de temperatură) |
| Defalcare termică | 270 ° C. În siguranță chiar și atunci când este complet încărcat |
| Domenii de utilizare | Dispozitive portabile și staționare unde sunt necesari curenți mari de sarcină și rezistență |
Salutări, dragii mei prieteni și admiratori, cititori ai acestui blog. În loc de altă lecție, ar fi mai corect să spui articole în pușculiță școală foto, am decis să scriu un articol despre un subiect dureros și important pentru toată lumea.
Cred că mulți, inclusiv voi, dragii mei cititori, veți fi atât interesanți, cât și folositori pentru a afla ce este atât de fundamental despre baterii litiu-ion, care sunt caracteristicile lor limitative, cum ar trebui să fie utilizate, ce se poate obține cu o utilizare adecvată și, desigur, care ar trebui să fie îngrijirea durată lungă de viață a bateriei... Așa că mergeți înainte.
Pentru ce? - mă întrebi, în general am început să mâzgălez pe acest subiect. Ei bine, o baterie și o baterie și ce-i cu ea. Asa de? Dar nu. baterie Li-ion, acesta este în esență un rezervor de combustibil pentru multe dintre dispozitivele noastre preferate și pentru dispozitivele oamenilor obișnuiți. Și ce dacă? - îmi veți spune, - ce diferență are la noi? Iar diferența este mare și importantă pentru tine. Ideea de a scrie acest articol a venit după ce am fost cu elevii mei de la școala foto. Condițiile meteo sunt destul de obișnuite, aproximativ -7 -10 Celsius, însorit, adiere ușoară, senin. Vreme în general plăcută pentru ochiul iscoditor al fotografului amator. Cu toate acestea, mulți studenți erau îngrijorați: nu este periculos pentru cameră? Nu va îngheța? Ce se întâmplă dacă îngheață? (Voi scrie o notă separată despre modurile de temperatură ale camerei) Și ce se va întâmpla cu bateria camerei? Am auzit că bateriei camerei îi este foarte frică de frig și poate eșua, este adevărat? Adevărat, dar nu în totalitate și nu în totalitate. Să ne dăm seama.
În camerele noastre, există baterii litiu-ion. Ce inseamna asta? Iată ce. Bateriile Li-ion au parametri de performanță semnificativ mai buni în comparație cu alte tipuri de baterii. Nu voi intra în detalii, dar în prezent, majoritatea producătorilor de electronice de larg consum încearcă să-și aprovizioneze produsele cu baterii Li-ion, deoarece acestea sunt mai simple și mai ieftine de fabricat și mai puțin dăunătoare mediului.
Celulele primare („baterii”) cu anod de litiu au apărut la începutul anilor 70 ai secolului XX și și-au găsit rapid aplicare datorită energiei specifice ridicate și a altor avantaje. Astfel, a fost realizată dorința de lungă durată de a crea o sursă de curent chimic cu cel mai activ agent reducător, un metal alcalin, ceea ce a făcut posibilă creșterea dramatică atât a tensiunii de funcționare a bateriei, cât și a energiei sale specifice. Dacă dezvoltarea celulelor primare cu un anod de litiu a fost încununată cu un succes relativ rapid și astfel de celule și-au luat ferm locul ca surse de energie pentru echipamente portabile, atunci crearea bateriilor cu litiu a întâmpinat dificultăți fundamentale, care au fost depășite în mai mult de 20 de ani.
După multe teste de-a lungul anilor 1980, s-a dovedit că problema bateriilor cu litiu este răsucită în jurul electrozilor de litiu. Mai exact, în jurul activității litiului: procesele care au avut loc în timpul funcționării, în final, au dus la o reacție violentă, numită „ventilație cu degajarea unei flăcări”. În 1991, un număr mare de baterii reîncărcabile cu litiu au fost rechemate în fabricile de producție, care au fost folosite pentru prima dată ca sursă de energie pentru telefoanele mobile. Motivul este că în timpul unei conversații, când consumul de curent este maxim, din baterie a fost emisă o flacără, arzând fața utilizatorului de telefon mobil.
Datorită instabilității inerente litiului metalic, mai ales în timpul încărcării, cercetările s-au mutat în domeniul creării unei baterii fără utilizarea Li, dar folosind ionii acestuia. Deși bateriile cu litiu-ion oferă o densitate de energie puțin mai mică decât bateriile cu litiu, bateriile cu litiu sunt sigure atunci când sunt furnizate în condițiile de încărcare și descărcare corecte.
Dacă, în plus, cineva este important și interesat de partea despre procesele chimice care au fost și sunt în bateriile litiu-ion, cum au fost îmblânzite aceleași procese, atunci calea este să căutați pe Google. Nu sunt atât de puternic în chimie și fizică încât să scriu un articol din lectură pe care să adorm și eu.
Bateriile moderne Li-ion au caracteristici specifice ridicate: 100-180 Wh/kg și 250-400 Wh/l. Tensiune de lucru - 3,5-3,7 V.
Dacă în urmă cu câțiva ani producătorii considerau maximul realizabil - capacitatea bateriilor Li-ion nu este mai mare de câțiva amperi-ore (amintim cursul de fizică școlară), acum majoritatea motivelor care limitează creșterea capacității au fost depășite și mulți producători au început să producă baterii cu o capacitate de sute de amperi - ore sau chiar mii.
Bateriile moderne de dimensiuni mici sunt eficiente la curenți de descărcare de până la 2 C, cele puternice - până la 10-20 C. Interval de temperatură de funcționare: -20 până la +60 ° С. Cu toate acestea, mulți producători au dezvoltat deja baterii care funcționează la -40 ° C. Este posibilă extinderea intervalului de temperatură la temperaturi mai ridicate.
Autodescărcarea bateriilor Li-ion este de 4-6% în prima lună, apoi mult mai puțin: în 12 luni bateriile pierd 10-20% din capacitatea stocată. Pierderea de capacitate a bateriilor Li-ion este de câteva ori mai mică decât a bateriilor cu nichel-cadmiu (Ni-Cd), atât la 20 ° C, cât și la 40 ° C. Resursa bateriilor litiu-ion: 500-1000 cicluri de încărcare-descărcare.
Și aici mulți vor spune: -Aaaaa. Acesta este motivul pentru care puteți fotografia cu camera dvs. la temperaturi moderat scăzute. Da, - iti voi raspunde. În plus, atunci când bateria funcționează, eliberând energie, în ea au loc reacții chimice, al căror efect secundar este eliberarea de energie termică, care permite bateriei să-și mențină intervalul de temperatură de funcționare mai mult timp. În plus, când scoatem camera din portbagaj, pe stradă, aceasta (camera, camera) are și o temperatură pozitivă, adică tot creștem resursa de timp în care putem filma în aer liber la -7 .. - 15 ° C. Adăugați la aceasta încălzirea termică a procesorului camerei în timpul fotografierii, încălzirea matricei, chiar și căldura mâinilor cu care ținem camera și o transferăm pe aceasta, prelungește durata de viață termică și de timp a camerei la temperaturi moderat scăzute. .
Acest lucru se referă la utilizarea bateriilor la locul de muncă. Acum să aruncăm o privire rapidă la partea de încărcare și stocare. Bateriile litiu-ion nu necesită întreținere specială. Regulile de bază pentru funcționarea lor pot fi găsite în instrucțiunile pentru telefon / laptop / cameră, iar orice altceva este preluat de circuitul BMS și controlerul de încărcare din dispozitivul alimentat. Cu toate acestea, atunci când cumpărați, puteți auzi deseori următoarele declarații de la un vânzător sau un prieten - „guru”:
„... prima încărcare este de 12-15 ore...” sau, alternativ, „... lăsați dispozitivul conectat toată noaptea...”;
„... trebuie să faci 3-5 cicluri complete pentru ca bateria să câștige capacitate...”;
„... se recomandă încărcarea și descărcarea completă a bateriei...”;
„… Deci, dacă bateria are deja un an, nu a fost folosită; durata de viață a acestuia depinde numai de numărul de cicluri de încărcare-descărcare...”.
Să vedem cum este adevărată cele de mai sus.
Prima afirmație este pur și simplu lipsită de sens - electronica de control nu va permite încărcarea bateriei mai mult decât ar trebui.
Sfatul # 2 este, de asemenea, insuportabil. După prima încărcare, bateriile litiu-ion funcționează cu eficiență deplină și la început se descarcă mai repede, pur și simplu pentru că proprietarul dispozitivului îl instalează și îl examinează, demonstrează prietenilor și cunoscuților etc. După o săptămână sau două, gadgetul intră în modul normal, ceea ce, desigur, are un efect pozitiv asupra autonomiei. Dar o încărcare completă înainte de utilizare este încă de dorit. Acest lucru nu este necesar pentru baterie, ci pentru ca dispozitivul să-și poată determina capacitatea reală și pe viitor să afișeze corect încărcarea rămasă.
În recomandarea nr. 3, „picioarele cresc” din regulile de funcționare pentru bateriile cu nichel-cadmiu, care trebuiau să fie complet descărcate în prealabil, altfel o parte din capacitate s-a pierdut ireversibil. Omoloagele lor cu litiu-ion nu au un astfel de „efect de memorie”, în plus, descărcarea profundă este contraindicată pentru ei. În cazul utilizării frecvente, acest lucru este irelevant, deoarece sistemul BMS nu permite descărcarea bateriei până la capăt, dar dacă rămâne într-o stare descărcată timp de o lună sau mai mult, încărcarea rămasă se va „scurge”, circuitul de protecție va blocați procesul de încărcare și opriți, după care încărcarea nu va mai fi posibilă. Încărcarea excesivă este, de asemenea, dăunătoare, dar în majoritatea dispozitivelor acest lucru este deja luat în considerare și nu încarcă bateria la 100%.
Există, de asemenea, un sfat precum „încărcați așa cum doriți, dar cel puțin o dată pe săptămână (lună) rulați ciclul complet”. O astfel de schemă de funcționare este optimă pentru bateriile nichel-hidrură metalică - au și un efect de memorie, dar mult mai puțin decât Ni-Cd, și își restabilesc capacitatea după 1-2 cicluri complete. Pentru bateriile litiu-ion, acest lucru este doar parțial adevărat, de exemplu, se recomandă să o faceți după o depozitare pe termen lung.
Din declarația numărul 4, urmează o concluzie aparent logică: deoarece durata de viață a bateriei este măsurată prin numărul de cicluri, atunci este mai bine să o folosiți la maximum. Aceasta este o greșeală. Încărcarea și descărcarea completă îl uzează mai repede, în timp ce ciclurile incomplete, dimpotrivă, prelungesc viața. În plus, bateriile litiu-ion își pierd capacitatea chiar și atunci când nu sunt folosite. Deja după un an „pe raft” resursa lor scade cu 5–10%, după 2 ani - cu 20–30%. Prin urmare, atunci când achiziționați un nou dispozitiv portabil, acordați atenție datei de emitere a sursei de alimentare. De asemenea, este evident că cumpărarea unei baterii „pentru utilizare viitoare”, chiar dacă este greu să o găsești la reducere, este inutilă.
Este foarte important să se respecte temperatura de funcționare a bateriilor litiu-ion. În îngheț sub -20 ° C, pur și simplu nu mai dau curent, iar la căldură peste +45 ° C, deși funcționează, astfel de condiții climatice activează procesul de îmbătrânire, reducând semnificativ durata de viață a bateriei. Dar îl puteți încărca numai la temperaturi pozitive (Celsius), altfel există un risc mare de defecțiune a dispozitivului. În general, temperatura optimă de funcționare pentru bateriile litiu-ion este de +20 ° C.
Bateriile cu litiu-ion sunt îmbunătățite în mod constant, producătorii experimentează în mod activ cu electrozi și materiale electrolitice. În 1994 au apărut bateriile cu catozi litiu-mangan, iar în 1996 - cu catozi litiu-fier-fosfat. Sunt mult mai stabile și transportă cu ușurință curenți mari de descărcare, prin urmare sunt utilizați în sculele electrice și vehiculele electrice. Din 2003, au fost produse baterii care folosesc o compoziție catodică complexă (LiNiMnCoO2) și au cea mai bună combinație de caracteristici dintre toate cele enumerate. Însă în ceea ce privește capacitatea și prețul specific, copiile cu litiu-cobalt nu au fost încă depășite, iar avantajele noilor tipuri nu sunt solicitate la telefoanele mobile și laptopurile care consumă relativ puțin curent.
Dacă lăsați temporar dispozitivul deoparte, dar doriți să-i mențineți bateria în stare de funcționare, știți că bateriile litiu-ion se păstrează cel mai bine la o temperatură de aproximativ +5 ° C. Cu cât este mai mare și cu cât starea de încărcare este mai aproape de 100%, cu atât bateria se îmbătrânește mai repede și își pierde capacitatea. Cel mai bine este să-l încărcați la 40–50%, să-l scoateți din dispozitiv, să-l împachetați într-o pungă de plastic sigilată, să-l puneți la frigider (dar nu la congelator!) Și să-l reîncărcați periodic.
Atât am vrut să spun despre baterii, prietenii noștri, animalele de companie electronice. Fie că este un telefon, un player sau o cameră.
Acest articol a fost pregătit pe baza materialelor găsite pe Internet și colectate aici într-o grămadă pentru comoditate și înțelegere a esenței procesului.
Ai întrebări? Scrieți în comentarii și cu siguranță voi răspunde.
P.S. Prieteni, dacă v-a plăcut articolul sau v-a devenit util. Fă-mi și mie bine. Distribuie linkul către articol pe paginile tale „Vkontakte”, „Odnoklassniki”, „Facebook”, „Tweeter” și alte pagini. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să faceți clic pe butoanele din partea de jos a paginii și să urmați pașii simpli din instrucțiuni. De asemenea, vă invit să vă abonați la lista mea de corespondență, atunci cu siguranță nu veți rata următorul articol, sper interesant și util. Formularul de abonare se află în colțul din dreapta sus al paginii.
Intervalele de temperatură permise pentru încărcarea și descărcarea bateriilor litiu-ion
Funcții de testare
Testele pentru numărul de cicluri au fost efectuate cu un curent de descărcare de 1C, pentru fiecare baterie s-au efectuat cicluri de descărcare/încărcare până la atingerea capacității de 80%. Acest număr a fost ales pe baza momentului aluatului și pentru o posibilă comparație a rezultatelor ulterioară. Numărul de cicluri echivalente complete este de până la 7500 în unele teste.Testele de viață au fost efectuate la diferite niveluri de încărcare și temperaturi, s-au făcut măsurători de tensiune la fiecare 40-50 de zile pentru a monitoriza descărcarea, durata testelor a fost de 400-500 de zile.
Principala dificultate în experimente este discrepanța dintre capacitatea declarată și cea reală. Toate bateriile au o capacitate mai mare decât cea declarată, de la 0,1% la 5%, ceea ce introduce un element suplimentar de imprevizibilitate.
Bateriile cele mai utilizate au fost NCA și NMC, dar au fost testate și baterii cu litiu cobalt și litiu fosfat.
Câțiva termeni:
DoD - Depth of Discharge - adâncimea de descărcare.
SoC - Stare de încărcare - nivel de încărcare.
Utilizarea bateriei
Numărul de cicluri
În prezent, există o teorie conform căreia dependența numărului de cicluri pe care bateria le poate rezista de gradul de descărcare al bateriei într-un ciclu este următoarea (albastrul indică ciclurile de descărcare, negrul indică cicluri complete echivalente):Această curbă se numește curba Wöhler. Ideea principală a venit de la mecanică despre dependența numărului de întinderi ale unui arc de gradul de întindere. O valoare inițială de 3000 de cicluri la descărcarea 100% a bateriei este o medie ponderată la o descărcare de 0,1C. Unele baterii arată rezultate mai bune, altele mai proaste. La un curent de 1C, numărul de cicluri complete la descărcare 100% scade de la 3000 la 1000-1500, în funcție de producător.
În general, acest raport, prezentat în grafice, a fost confirmat de rezultatele experimentelor, deoarece este recomandabil să încărcați bateria ori de câte ori este posibil.
Calcularea suprapunerii ciclurilor
Când utilizați baterii, este posibil să lucrați cu două cicluri simultane (de exemplu, frânare regenerativă într-o mașină):
Rezultă următorul ciclu combinat:
Apare întrebarea, cum afectează acest lucru funcționarea bateriei, durata de viață a bateriei scade foarte mult?
Conform rezultatelor experimentelor, ciclul combinat a arătat rezultate ca urmare a adunării ciclurilor complete echivalente a două cicluri independente. Acestea. capacitatea relativă a bateriei în ciclul combinat a scăzut în funcție de suma descărcărilor din ciclurile mici și mari (graficul liniarizat este prezentat mai jos). 
Impactul ciclurilor mari de descărcare este mai semnificativ, ceea ce înseamnă că se confirmă că bateria este cel mai bine încărcată cu fiecare ocazie.
Efect de memorie
Efectul de memorie al bateriilor litiu-ion nu a fost observat conform rezultatelor experimentelor. În diferite moduri, capacitatea sa completă nu s-a schimbat oricum ulterior. În același timp, există o serie de studii care confirmă prezența acestui efect în bateriile cu litiu-fosfat și litiu-titan.Stocare baterie
Temperaturi de depozitare
Aici nu s-au făcut descoperiri neobișnuite. Temperaturile 20-25°C sunt optime (în viața normală) pentru depozitarea bateriei dacă nu este folosit. Când bateria este depozitată la o temperatură de 50 ° C, degradarea capacității este de aproape 6 ori mai rapidă.Desigur, temperaturile mai scăzute sunt mai bune pentru depozitare, dar în viața de zi cu zi aceasta înseamnă o răcire specială. Deoarece temperatura aerului din apartament, de regulă, este de 20-25 ° C, atunci depozitarea va fi cel mai probabil la această temperatură.
Nivel de încărcare
După cum au arătat testele, cu cât încărcarea este mai mică, cu atât descărcarea automată a bateriei este mai lentă. S-a măsurat capacitatea bateriei, ce ar fi dacă ar fi folosită în continuare după depozitare pe termen lung. Cele mai bune rezultate au fost obținute cu bateriile care au fost stocate cu o încărcare apropiată de zero.În general, bateriile care au fost depozitate cu o încărcare de cel mult 60% în momentul depozitării au prezentat rezultate bune. Cifrele diferă de cele de mai jos pentru încărcare de 100% în rau (adică, bateria va deveni inutilizabilă mai devreme decât este indicat în figură):
Desen preluat din articolul 5 sfaturi practice pentru utilizarea bateriilor litiu-ion
În același timp, cifrele pentru o încărcare mică sunt mai optimiste (94% după un an la 40 ° C pentru stocare la 40% SOC).
Deoarece o încărcare de 10% nu este practică, deoarece timpul de funcționare la acest nivel este foarte scurt, depozitați bateriile în mod optim la 60% SOC, care îi va permite să fie aplicat în orice moment și nu îi va afecta în mod critic durata de viață.
Principalele probleme ale rezultatelor experimentale
Nimeni nu a efectuat teste care pot fi considerate 100% fiabile. Eșantionul, de regulă, nu depășește câteva mii de baterii din milioanele de baterii fabricate. Majoritatea cercetătorilor nu sunt în măsură să ofere analize comparative fiabile din cauza eșantionării insuficiente. De asemenea, rezultatele acestor experimente sunt adesea informații confidențiale. Deci aceste recomandări nu se aplică neapărat bateriei dvs., dar pot fi considerate optime.Rezultatele experimentelor
Frecvența optimă de încărcare - ori de câte ori este posibil.Condițiile optime de depozitare sunt 20-25 ° C la 60% încărcare a bateriei.
