Litiumi zë një vend të veçantë në mesin e baterive më moderne. Në kimi, litiumi është metali më aktiv.

Ka një burim të madh të ruajtjes së energjisë. 1 kg litium është në gjendje të ruajë 3860 amper-orë. Zinku i njohur mbetet shumë prapa. Ai ka kjo shifër është 820 amper-orë.

Qelizat e litiumit mund të gjenerojnë tensione deri në 3.7 V. Por mostrat laboratorike janë të afta të prodhojnë një tension prej rreth 4.5 V.

Litiumi i pastër nuk përdoret në bateritë moderne të litiumit.

Ekzistojnë 3 lloje të baterive litium në përdorim të zakonshëm:

Litium-jon ( Li-jon). Tensioni nominal (U nom.) - 3.6V;

Polimer litium ( Li-Po, Li-polimer ose "lipo"). Numri U. - 3.7 V;

Fosfat litium hekuri ( Li-Fe ose LFP ). Numri U. - 3.3 V.

Të gjitha këto lloje të baterive të litiumit ndryshojnë në materialin e katodës ose elektrolitit. Li-jon përdor një katodë litium kobaltate LiCoO 2, Li-Po përdor një elektrolit polimer xhel, dhe Li-Fe përdor një katodë ferro-fosfat litium LiFePO 4.

Çdo bateri litiumi (ose pajisja në të cilën funksionon) është e pajisur me një qark të vogël elektronik - një kontrollues ngarkimi / shkarkimi. Meqenëse bateritë e litiumit janë shumë të ndjeshme ndaj mbingarkesës dhe shkarkimit të thellë, kjo është e nevojshme. Nëse "zgjedhni" ndonjë bateri litium nga një telefon celular, atëherë mund të gjeni një qark të vogël elektronik në të - ky është kontrolluesi mbrojtës ( Mbrojtja IC ).

Nëse nuk ka kontrollues të integruar (ose mbikëqyrës ngarkimi) në baterinë e litiumit, atëherë një bateri e tillë quhet e pambrojtur. Në këtë rast, kontrolluesi është i integruar në pajisjen, e cila mundësohet nga një bateri e tillë, dhe karikimi është i mundur vetëm nga pajisja ose nga një karikues special.

Fotografia tregon një bateri Li-Po të pambrojtur Paketa Lipo Turnigy 2200 mAh 3C 25C... Kjo bateri përbëhet nga 3 qeliza të lidhura në seri (3C - 3 qeliza) secila 3.7V dhe për këtë arsye ka një lidhës balancues. Rryma e shkarkimit të vazhdueshëm mund të arrijë 25C, d.m.th. 25 * 2200 mA = 55000 mA = 55 A! Dhe rryma e shkarkimit afatshkurtër (10 sek.) - 35C!

Bateritë e litiumit, të cilat janë qeliza të shumta në seri, kërkojnë një karikues kompleks të pajisur me një balancues. Një funksionalitet i tillë zbatohet, për shembull, në ngarkues të tillë universalë si Turnigy Accucell 6 dhe IMAX B6.

Balancuesi nevojitet për të barazuar tensionin në qelizat individuale gjatë karikimit të baterisë së përbërë të litiumit. Për shkak të dallimeve midis qelizave, disa mund të karikojnë më shpejt dhe të tjerët më ngadalë. Prandaj, përdoret një qark i veçantë për mbylljen e rrymës së karikimit.

Ky është tela që ka kablloja e balancimit dhe e energjisë së baterisë 11.1V LiPo.

Siç e dini, ngarkimi i tepërt i një baterie litium (veçanërisht Li-Polymer) mbi 4.2 V mund të çojë në një shpërthim ose djegie spontane. Prandaj, gjatë karikimit, është e nevojshme të kontrolloni tensionin në çdo qelizë bateri e përbërë nga bateria!

Ngarkimi i duhur i baterive të litiumit.

Bateritë e litiumit (Li-jon, Li-Po, Li-Fe) janë të karikuara me metodën CC / CV ("Rryma konstante / tension konstant"). Metoda konsiston në faktin se në fillim, kur voltazhi në të gjithë elementin është i ulët, ai ngarkohet me një rrymë konstante të një vlere të caktuar. Kur arrihet tensioni i celularit (për shembull, deri në 4.2 V - në varësi të llojit të baterisë), kontrolluesi i ngarkimit mban një tension konstant në të.

Faza e parë Ngarkesa e baterisë së litiumit - CC- zbatohet përmes feedback-ut. Kontrolluesi zgjedh tensionin në të gjithë qelizën në mënyrë që rryma e ngarkimit të jetë rreptësisht konstante.

Gjatë fazës së parë të karikimit, bateria e litiumit ruan pjesën më të madhe të energjisë (60 - 80%).

Faza e dytë tarifë - CV- fillon kur voltazhi në të gjithë elementin arrin një nivel të caktuar pragu (për shembull, në 4.2V). Pas kësaj, kontrolluesi thjesht ruan një tension konstant në element dhe i jep atij rrymën që i nevojitet. Deri në fund të ngarkimit, rryma zvogëlohet në një vlerë prej 30 - 10 mA. Me këtë rrymë, qeliza konsiderohet e ngarkuar.

Gjatë fazës së dytë, bateria grumbullon 40 - 20% të mbetur të fuqisë.

Vlen të përmendet se tejkalimi i tensionit të pragut në një bateri litium është i mbushur me mbinxehje të tepërt dhe madje edhe një shpërthim!

Kur ngarkoni bateritë e litiumit, rekomandohet t'i vendosni ato në një qese jo të ndezshme. Kjo është veçanërisht e vërtetë për bateritë që nuk kanë një kuti të veçantë. Për shembull, ato që përdoren në modelet e kontrolluara me radio (auto, modelimi i avionëve).

Disavantazhet e baterive litium-jon

Disavantazhi kryesor dhe më i frikshëm i baterive me bazë litiumi, do t'i quaja rrezik zjarri kur tejkalohet tensioni i funksionimit, mbinxehja, karikimi jo i duhur dhe funksionimi analfabet. Sidomos ka shumë ankesa në lidhje me bateritë litium-polimer (Li-Polymer). Sidoqoftë, bateritë me fosfat litium hekuri (Li-Fe) nuk kanë një veçori kaq negative - ato janë të papërshkueshme nga zjarri.

Gjithashtu, bateritë e litiumit kanë shumë frikë nga të ftohtit - ato shpejt humbasin kapacitetin e tyre dhe ndalojnë karikimin. Kjo vlen për bateritë Li-ion dhe Li-Po. Bateritë me fosfat litium hekuri (Li-Fe) janë më rezistente ndaj ngricave. Në fakt, kjo është një nga cilësitë pozitive të baterive Li-Fe.

Disavantazhi i baterive të litiumit është se ato kërkojnë një kontrollues të veçantë ngarkimi - një qark elektronik. Dhe në rastin e një baterie të përbërë dhe balancues.

Me shkarkim të thellë, bateritë e litiumit humbasin vetitë e tyre origjinale. Bateritë Li-jon dhe Li-Po kanë veçanërisht frikë nga shkarkimi i thellë. Edhe pas restaurimit, një bateri e tillë do të ketë një kapacitet më të ulët.

Nëse bateria e litiumit nuk "punon" për një kohë të gjatë, atëherë në fillim voltazhi në të do të bjerë në nivelin e pragut (zakonisht 3.2-3.3V). Një qark elektronik do të shkëputë plotësisht qelizën e baterisë dhe më pas do të fillojë një shkarkim i thellë. Nëse voltazhi në qelizë bie në 2.5 V, atëherë kjo mund të çojë në dështimin e tij.

Prandaj, ia vlen të rimbushni bateritë e laptopëve, telefonave celularë, mp3-playerëve herë pas here gjatë periudhave të gjata pasiviteti.

Në mënyrë tipike, jeta e shërbimit të një baterie të zakonshme litium është 3 deri në 5 vjet. Pas 3 vjetësh, kapaciteti i baterisë fillon të ulet mjaft dukshëm.

Cilat janë llojet e baterive të litiumit dhe tiparet e tyre të projektimit?

Bateritë e litiumit kanë zënë fort disa pika të ndryshme në tregun e sotëm. Ato përdoren kryesisht në të gjitha llojet e elektronikës së konsumit, veglave portative dhe pajisjeve mobile, elektroshtëpiake etj. Ka edhe bateri litium 12 volt për makina. Edhe pse ato nuk kanë marrë ende përdorim të gjerë në industrinë e automobilave. Përdorimi i baterive të litiumit në sektorë të ndryshëm të ekonomisë kombëtare ka çuar në faktin që shumë lloje të këtyre baterive janë shfaqur në treg. Ne do të shqyrtojmë llojet kryesore të baterive të litiumit në artikullin e sotëm.

Ne nuk do të shkruajmë këtu për parimin e funksionimit të baterive të rikarikueshme Li dhe historinë e origjinës së tyre. Mund të lexoni më shumë rreth tij në artikullin në lidhjen e specifikuar. Ju gjithashtu mund të lexoni materialet veçmas për dhe. Dhe në këtë material do të doja të konsideroja saktësisht llojet e ndryshme të baterive Li, në varësi të karakteristikave dhe qëllimit të tyre.

Pra, në lidhje me fuqinë dhe kapacitetin e baterive të litiumit. Ndarja këtu është mjaft arbitrare. Për të prodhuar bateri me kapacitete të ndryshme, me rryma të ndryshme shkarkimi, prodhuesit ndryshojnë një sërë parametrash. Për shembull, ato rregullojnë trashësinë e shtresës së pastës së elektrodës në fletë metalike (në rastin e një strukture rrotullimi). Në shumicën e rasteve, kjo shtresë elektrodë aplikohet me letër bakri (elektrodë negative) dhe alumini (pozitive). Për shkak të një rritje të tillë në shtresën e elektrodës, parametrat specifikë të baterisë rriten.

Megjithatë, kur ndërtohet masa aktive, është e nevojshme të zvogëlohet trashësia e bazës përçuese (folie). Si rezultat, bateria mund të kalojë më pak rrymë pa mbinxehje. Për më tepër, një rritje në shtresën e masës së elektrodës çon në një rritje të rezistencës së elementit. Për të zvogëluar rezistencën, shpesh përdoren substanca më aktive dhe të shpërndara për masën aktive. Prodhuesit "luajnë" me këto parametra kur prodhojnë bateri me parametra të caktuar. Një qelizë baterie me një fletë të hollë dhe masë aktive të trashë shfaq vlera të larta të energjisë së ruajtur. Dhe fuqia e tij do të jetë e ulët, dhe anasjelltas. Dhe kjo mund të rregullohet pa ndryshuar madhësinë standarde të produktit.

Bateritë e rikarikueshme me vlera të ndryshme të kapacitetit dhe rrymës së shkarkimit fitohen duke ndryshuar parametrat e mëposhtëm:

• Trashësia e fletë metalike;
• Trashësia e ndarësit;
• Materiali i elektrodës pozitive dhe negative;
• Madhësia e grimcave të masës aktive;
• Trashësia e elektrodës.

Në të njëjtën kohë, modelet e baterive të dizajnuara për një fuqi më të lartë janë të pajisura me priza aktuale me dimensione dhe peshë të madhe. Kjo është për të parandaluar mbinxehjen. Gjithashtu, për të rritur rrymën e shkarkimit, përdoren të gjitha llojet e substancave që i shtohen elektrolitit ose masës së elektrodës. Në bateritë me një kapacitet të madh, prizat aktuale janë zakonisht të vogla. Ato llogariten për një rrymë shkarkimi deri në 2C (zakonisht rryma e ngarkimit-shkarkimit të një baterie tregohet nga kapaciteti i saj) dhe një rrymë karikimi deri në 0.5C. Për bateritë e litiumit me kapacitet të lartë, këto vlera janë përkatësisht deri në 20C dhe deri në 40C.

Modelet e baterive të litiumit me kapacitet të lartë janë krijuar për të fuqizuar startuesit, me kapacitet të lartë - për të fuqizuar pajisje të ndryshme portative. Sa i përket zhvillimit të baterive të litiumit, prodhuesit e të gjitha llojeve të elektronikës i porosisin ato nga firma speciale. Ata i zhvillojnë ato duke marrë parasysh kushtet e propozuara dhe më pas i vendosin në prodhim masiv. Gjatë zhvillimit të baterive moderne të litiumit, merren parasysh parametrat e mëposhtëm:

• Kapaciteti;
• Rryma standarde dhe maksimale e shkarkimit;
• Dimensionet;
• Kushtet e vendndodhjes brenda pajisjes;
• Temperatura e punës;
• Burimi (numri i cikleve të ngarkimit-shkarkimit) dhe të tjera.

Modele të ndryshme të baterive të ringarkueshme litium

Sipas karakteristikave të projektimit, bateritë e litiumit mund të ndahen në dy mënyra:

• Dizajni i bykut;
• Dizajni i elektrodës.

Dizajni i elektrodës

Lloji i rrotullës

Në imazhin më poshtë, mund të shihni baterinë Li─Ion me një dizajn të tipit rrotull.

Elementet e një strukture rrotull janë bërë nga dy lloje:

• Një rrotull elektrodash është përdredhur rreth pllakës virtuale. Një banesë mund të akomodojë disa rrotulla të lidhura paralelisht;
• Cilindrike. Lartësi dhe diametra të ndryshëm.

Dizajni i rrotullës përdoret kur kërkohet një bateri me kapacitet dhe fuqi të vogël. Kjo teknologji nuk kërkon shumë punë, pasi rrotullimi i shiritave të elektrodës dhe ndarësit është plotësisht i automatizuar. Disavantazhi i këtij dizajni është shpërndarja e dobët e nxehtësisë nga elektrodat. Në fakt, nxehtësia hiqet vetëm përmes faqes fundore të elementit.

Nga një grup elektrodash

Bateritë e litiumit me një montim elektrodash individuale përdoren në prodhimin e baterive prizmatike.

Nxehtësia hiqet gjithashtu këtu nga fundi i elektrodës. Prodhuesit po përpiqen të përmirësojnë shpërndarjen e nxehtësisë duke rregulluar përbërjen dhe shpërndarjen e masës aktive.

Dizajni i trupit

Cilindrike

Vlen t'i kushtohet vëmendje baterive cilindrike të litiumit. Ato përdoren gjerësisht në pajisje të ndryshme shtëpiake dhe elektronike. Qelizat e baterisë janë veçanërisht të njohura.

Si avantazhe të trupit cilindrik, ekspertët thonë se nuk ka ndryshim në vëllim gjatë funksionimit afatgjatë. Kjo për faktin se bateria ndryshon pak volumin e saj gjatë procesit të ngarkimit-shkarkimit. Dizajni i elektrodave në një strehim të tillë është gjithmonë i llojit të rrotullës. Disavantazhet përfshijnë shpërndarje të dobët të nxehtësisë.

Bateritë cilindrike të litiumit mund të kenë rrymat e mëposhtme:

• Vida e mbajtur;
• Pads kontakti të rregullt.

Aty ku ka kërkesa më të larta për konsumin aktual, përdoret vidhosja. Kjo është një bateri me një rrymë të lartë shkarkimi dhe kapacitet të madh (mbi 20 Ah). Teste të shumta tregojnë se akumulatorët cilindrikë të litiumit me vida përballojnë rrymat jo më shumë se 10-15C. Dhe këto janë vlerat e ngarkesës afatshkurtër në të cilën elementi mbinxehet shpejt. Gjatë funksionimit afatgjatë, ato mund të përballojnë rrymat e shkarkimit prej 2 - 3C. Përdoret kryesisht në veglat e lëvizshme të energjisë.

Qelizat e baterive të mbushura zakonisht përdoren për të formuar bateri. Për ta bërë këtë, ato janë ngjitur me shirit duke përdorur saldim me kontakt. Ndonjëherë prodhuesit tashmë prodhojnë elementë me petale për vetë-bashkim. Për më tepër, lloji i petaleve mund të jetë i ndryshëm në varësi të llojit të saldimit.

Në përcaktimin e madhësisë standarde të baterive cilindrike të litiumit, dimensionet e tyre zakonisht janë të pranishme. Për shembull, 18650 qeliza jonesh litium janë 65 mm të larta dhe 18 mm në diametër.

I cili është i përhapur në pajisjet moderne elektronike shtëpiake dhe gjen aplikim si burim energjie në automjetet elektrike dhe sistemet e ruajtjes së energjisë në sistemet e energjisë. Është lloji më i popullarizuar i baterisë në pajisje të tilla si telefonat celularë, laptopët, automjetet elektrike, kamerat dixhitale dhe videokamerat. Bateria e parë litium-jon u lëshua nga Sony Corporation në 1991.

Specifikimet

Bateritë litium-jon shfaqin karakteristikat e mëposhtme, në varësi të skemës elektro-kimike:

• Tensioni i një qelize të vetme është 3.6 V.
• Tensioni maksimal 4,2 V, minimumi 2,5-3,0 V. Ngarkuesit ruajnë një tension në intervalin 4,05-4,2 V
• Dendësia e energjisë: 110 ... 230 W * h / kg
• Rezistenca e brendshme: 5 ... 15 mOhm / 1Ah
• Numri i cikleve të karikimit/shkarkimit deri në humbjen e kapacitetit 20%: 1000-5000
• Koha e karikimit të shpejtë: 15 min - 1 orë
• Vetë-shkarkimi në temperaturën e dhomës: 3% në muaj
• Rryma e ngarkesës në raport me kapacitetin (C):
  • konstante - deri në 65C, pulsuese - deri në 500C
  • më e pranueshme: deri në 1C
• Gama e temperaturës së funksionimit: -0 ... +60 ° C (karikimi i baterisë nuk është i mundur në temperatura negative)

Pajisja

Bateria litium-jon përbëhet nga elektroda (material katodë në letër alumini dhe material anodë në fletë bakri) të ndara nga ndarës poroz të ngopur me elektrolit. Paketa e elektrodave vendoset në një kuti të mbyllur, katoda dhe anoda lidhen me terminalet e kolektorit aktual. Trupi ka një valvul sigurie që lehtëson presionin e brendshëm në rast emergjence dhe shkelje të kushteve të funksionimit. Bateritë e joneve të litiumit ndryshojnë në llojin e materialit katodë të përdorur. Bartësi i rrymës në një bateri litium-jon është një jon litium i ngarkuar pozitivisht, i cili ka aftësinë të inkorporohet (ndërtohet) në rrjetën kristalore të materialeve të tjera (për shembull, grafit, oksidet dhe kripërat metalike) me formimin e një lidhje kimike, për shembull: në grafit me formimin e LiC6, oksideve (LiMO 2) dhe kripërave metalike (LiM RON). Fillimisht, litiumi metalik u përdor si pllaka negative, pastaj koksi i qymyrit. Në të ardhmen, grafiti filloi të përdoret. Deri kohët e fundit, oksidet e litiumit me kobalt ose mangan përdoreshin si pllaka pozitive, por ato gjithnjë e më shumë po zëvendësohen nga ferro-fosfati i litiumit, i cili doli të jetë i sigurt, i lirë dhe jo toksik dhe mund të riciklohet në një mënyrë miqësore me mjedisin. Bateritë litium-jon përdoren në kombinim me një sistem monitorimi dhe kontrolli - BMS ose BMS (sistemi i menaxhimit të baterive) dhe një pajisje speciale ngarkimi / shkarkimi. Aktualisht, tre klasa të materialeve katodë përdoren në prodhimin masiv të baterive litium-jon: - litium kobaltati LiCoO 2 dhe solucione të ngurta të bazuara në nikelat izostrukturor të litiumit - spinel litium mangan LiMn 2 O 4 - ferrofosfat litium LiFePO 4. Skemat elektro-kimike të baterive litium-jon: litium-kobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi + C6 litium-ferro-fosfat LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi + C6

Për shkak të vetë-shkarkimit të tyre të ulët dhe një numri të madh ciklesh ngarkimi-shkarkimi, bateritë Li-jon janë më të preferueshme për përdorim në energji alternative. Për më tepër, përveç sistemit BMS (IMS), ato janë të pajisura me inverterë (konvertues të tensionit).

Përparësitë

• Dendësia e lartë e energjisë.
• Vetë-shkarkim i ulët.
• Mungesa e efektit të kujtesës.
• Pa mirëmbajtje.

Të metat

Bateritë e gjeneratës së parë Li-jon ishin subjekt i efekteve shpërthyese. Kjo për faktin se ata përdorën një anodë metalike të litiumit, mbi të cilën, në procesin e cikleve të shumta të ngarkimit / shkarkimit, u shfaqën formacione hapësinore (dendrite), duke çuar në mbylljen e elektrodave dhe, si rezultat, në zjarr ose shpërthim. . Ky problem përfundimisht u zgjidh duke zëvendësuar materialin e anodës me grafit. Procese të ngjashme ndodhën në katodat e baterive litium-jon të bazuara në oksid kobalti kur u shkelën kushtet e funksionimit (mbikarikimi). Bateritë litium-ferro-fosfat janë plotësisht të lira nga këto disavantazhe. Përveç kësaj, të gjitha bateritë moderne litium-jon kanë qark elektronik të integruar për të parandaluar mbingarkimin dhe mbinxehjen për shkak të mbingarkesës.

Bateritë Li-jon me shkarkim të pakontrolluar mund të kenë një cikël jetë më të shkurtër se llojet e tjera të baterive. Kur shkarkohen plotësisht, bateritë litium-jon humbasin aftësinë për t'u ngarkuar kur lidhet tensioni i karikimit. Ky problem mund të zgjidhet duke aplikuar një impuls të tensionit më të lartë, por kjo ndikon negativisht në performancën e mëtejshme të baterive litium-jon. "Jetëgjatësia" maksimale e një baterie Li-jon arrihet kur ngarkesa kufizohet nga lart në 95% dhe shkarkimi është 15-20%. Kjo mënyrë funksionimi mbështetet nga sistemi i monitorimit dhe kontrollit BMS (BMS), i cili përfshihet me çdo bateri litium-jon.

Kushtet optimale të ruajtjes për bateritë Li-jon arrihen në një nivel ngarkimi prej 40-70% të kapacitetit të baterisë dhe një temperaturë prej rreth 5 ° C. Në këtë rast, temperatura e ulët është më e rëndësishme për humbjet e kapacitetit të ulët gjatë ruajtjes afatgjatë. Jetëgjatësia mesatare (jeta e shërbimit) e një baterie litium-jon është mesatarisht 36 muaj, megjithëse mund të variojë nga 24 në 60 muaj.

Humbja e kapacitetit të ruajtjes:

temperatura	me tarifë 40%.	me tarifë 100%.
0 ⁰C	2% në vit	6% në vit
25 ⁰C	4% në vit	20% në vit
40 ⁰C	15% në vit	35% në vit
60 ⁰C	25% në vit	40% për tre muaj

Sipas të gjitha rregulloreve aktuale për ruajtjen dhe funksionimin e baterive litium-jon, për të siguruar ruajtjen afatgjatë, është e nevojshme të rikarikohen deri në 70% të kapacitetit të tyre një herë në 6-9 muaj.

Shiko gjithashtu

Shënime (redakto)

Letërsia

• Akumulatorët e Khrustalev D.A. M: Emerald, 2003.
• Yuri Filippovsky Ushqim celular. Pjesa 2. (RU). ComputerraLab (26 maj 2009). - Artikulli i detajuar mbi bateritë Li-jon .. Marrë më 26 maj 2009.

Lidhjet

• GOST 15596-82 Terma dhe përkufizime.
• GOST 61960-2007 Akumulatorët e litiumit dhe bateritë e ruajtjes
• Bateritë litium-jon dhe litium-polimer. iXBT (2001)
• Bateritë shtëpiake litium-jon

Qelizë galvanike	Qeliza Daniel Galvanike | Element alkalik | | Element i thatë | Elementi i përqendrimit | Qeliza Ajri Zink | Elementi normal Weston
Akumulatorë elektrikë	Acidi i Plumbit | Argjend-zink | Nikel-Kadmium | Hidridi i Metalit të Nikelit | Bateri nikel-zink | Jon litium | Litium Polimer | Sulfidi i hekurit litium | Fosfat Litium Hekuri | Titanat litium | Vanadium | Hekur-nikel
Qelizat e karburantit	Metanol direkt | Oksid i ngurtë | Alkaline
Modelet	Bateria | Bateri elektrike | Vëndi i karburantit
Pajisja

Bateritë litium-jon dhe litium-polimer

Mendimi inxhinierik po evoluon vazhdimisht: ai stimulohet nga problemet vazhdimisht në zhvillim që kërkojnë zhvillimin e teknologjive të reja për zgjidhjen e tyre. Bateritë nikel-kadmium (NiCd) u zëvendësuan me bateri nikel-metal hidride (NiMH) dhe tani ata po përpiqen të zënë vendin e baterive litium-jon (Li-jon). Bateritë NiMH deri diku kanë shtyrë NiCd jashtë, por për shkak të avantazheve të tilla të padiskutueshme të këtij të fundit si aftësia për të ofruar rrymë të lartë, kosto të ulët dhe jetë të gjatë shërbimi, ato nuk mund të siguronin zëvendësimin e tyre të plotë. Por çfarë ndodh me bateritë litium? Cilat janë veçoritë e tyre dhe si ndryshojnë bateritë Li-pol nga Li-ion? Le të përpiqemi ta kuptojmë këtë çështje.

Si rregull, kur blejmë një celular ose laptop, të gjithë nuk mendojmë se çfarë lloj baterie kanë brenda dhe si ndryshojnë në përgjithësi këto pajisje. Dhe vetëm atëherë, të ballafaquar në praktikë me cilësitë konsumatore të baterive të caktuara, ne fillojmë të analizojmë dhe zgjedhim. Për ata që janë me nxitim dhe duan të marrin menjëherë një përgjigje në pyetjen se cila bateri është optimale për një telefon celular, unë do t'i përgjigjem shkurtimisht - Li-ion. Informacione të mëtejshme janë të destinuara për kuriozët.

Për të filluar, një ekskursion i vogël në histori.

Eksperimentet e para për krijimin e baterive të litiumit filluan në vitin 1912, por vetëm gjashtë dekada më vonë, në fillim të viteve 70, ato u futën për herë të parë në pajisjet shtëpiake. Për më tepër, theksoj, këto ishin pikërisht bateritë. Përpjekjet e mëvonshme për të zhvilluar bateri litium (bateri të ringarkueshme) kanë qenë të pasuksesshme për shkak të shqetësimeve të sigurisë. Litiumi, më i lehtë nga të gjithë metalet, ka potencialin më të lartë elektrokimik dhe siguron densitetin më të lartë të energjisë. Bateritë që përdorin elektroda metalike litiumi kanë tension të lartë dhe kapacitet të shkëlqyer. Por si rezultat i studimeve të shumta në vitet '80, u zbulua se funksionimi ciklik (ngarkimi - shkarkimi) i baterive të litiumit çon në ndryshime në elektrodën e litiumit, si rezultat i të cilave ulet stabiliteti termik dhe ekziston një kërcënim termik. Shteti del jashtë kontrollit. Kur kjo ndodh, temperatura e qelizës i afrohet shpejt pikës së shkrirjes së litiumit - dhe fillon një reagim i dhunshëm, duke ndezur gazrat që çlirohen. Për shembull, një numër i madh i baterive litium të telefonave celularë të dërguar në Japoni në 1991 u tërhoqën pas disa incidenteve të zjarrit.

Për shkak të paqëndrueshmërisë së natyrshme në litium, studiuesit i kthyen sytë drejt baterive jometalike të litiumit të bazuara në jonet e litiumit. Duke humbur pak në të njëjtën kohë në densitetin e energjisë dhe duke marrë disa masa paraprake gjatë karikimit dhe shkarkimit, ata morën bateri më të sigurta të ashtuquajtura Li-ion.

Dendësia e energjisë e baterive Li-ion është zakonisht dyfishi i densitetit të NiCd standard dhe në të ardhmen, falë përdorimit të materialeve të reja aktive, pritet të rritet edhe më shumë dhe të arrihet një epërsi e trefishtë ndaj NiCd. Përveç kapacitetit të madh, bateria Li-jon gjatë shkarkimit sillet në mënyrë të ngjashme me NiCd (forma e karakteristikave të tyre të shkarkimit është e ngjashme dhe ndryshon vetëm në tension).

Për momentin, ka shumë lloje të baterive Li-ion, dhe ju mund të flisni për një kohë të gjatë për avantazhet dhe disavantazhet e një lloji ose një tjetër, por është e pamundur t'i dalloni ato nga pamja e tyre. Prandaj, ne vërejmë vetëm ato avantazhe dhe disavantazhe që janë të natyrshme në të gjitha llojet e këtyre pajisjeve dhe shqyrtojmë arsyet që shkaktuan lindjen e baterive litium-polimer.

Përparësitë kryesore.

• Dendësia e lartë e energjisë dhe, si rrjedhojë, kapaciteti i lartë me të njëjtat dimensione në krahasim me bateritë me bazë nikel.
• Vetë-shkarkim i ulët.
• Tension i lartë i një qelize të vetme (3.6 V kundrejt 1.2 V për NiCd dhe NiMH), i cili thjeshton dizajnin - shpesh bateria përbëhet nga vetëm një qelizë. Shumë prodhues sot përdorin një bateri të tillë me një qelizë në telefonat celularë (kujtoni Nokia). Megjithatë, për të siguruar të njëjtën fuqi, duhet të jepet një rrymë më e lartë. Dhe kjo kërkon sigurimin e një rezistence të ulët të brendshme të elementit.
• Mirëmbajtja e ulët (kostot e funksionimit) - rezultat i mungesës së efektit të kujtesës që kërkon cikle shkarkimi periodike për të rivendosur kapacitetin.

Të metat.

Teknologjia e baterive Li-jon po përmirësohet vazhdimisht. Përditësohet afërsisht çdo gjashtë muaj dhe është e vështirë të kuptohet se si sillen bateritë e reja pas ruajtjes afatgjatë.

Me një fjalë, të gjithë do të kishin një bateri të mirë Li-ion nëse nuk do të ishin problemet me sigurimin e sigurisë së funksionimit të saj dhe koston e lartë. Përpjekjet për të zgjidhur këto probleme çuan në shfaqjen e baterive litium-polimer (Li-pol ose Li-polymer).

Dallimi i tyre kryesor nga Li-ion reflektohet në emër dhe qëndron në llojin e elektrolitit të përdorur. Fillimisht, në vitet '70, u përdor një elektrolit i thatë i ngurtë polimer, i ngjashëm me një film plastik dhe që nuk përçonte rrymë elektrike, por lejonte shkëmbimin e joneve (atomeve të ngarkuar elektrikisht ose grupe atomesh). Elektroliti polimer në fakt zëvendëson ndarësin tradicional poroz të ngopur me elektrolit.

Ky dizajn thjeshton procesin e prodhimit, është më i sigurt dhe lejon prodhimin e baterive të holla në formë të lirë. Përveç kësaj, mungesa e një elektroliti të lëngshëm ose xhel eliminon mundësinë e ndezjes. Trashësia e elementit është rreth një milimetër, kështu që projektuesit e pajisjeve janë të lirë të zgjedhin formën, formën dhe madhësinë, deri në futjen e tij në copat e veshjeve.

Por deri më tani, për fat të keq, bateritë e thata Li-polimer kanë përçueshmëri të pamjaftueshme elektrike në temperaturën e dhomës. Rezistenca e tyre e brendshme është shumë e lartë dhe nuk mund të sigurojë sasinë e rrymës që kërkohet për komunikimet moderne dhe furnizimin me energji elektrike të hard diskeve të laptopëve. Në të njëjtën kohë, kur nxehet në 60 ° C ose më shumë, përçueshmëria elektrike e Li-polimerit rritet në një nivel të pranueshëm, por kjo nuk është e përshtatshme për përdorim masiv.

Studiuesit vazhdojnë të zhvillojnë bateri të thata me elektrolit të ngurtë Li-polimer që funksionojnë në temperaturën e dhomës. Bateri të tilla pritet të jenë të disponueshme në treg deri në vitin 2005. Ato do të jenë të qëndrueshme, do të lejojnë 1000 cikle të plota ngarkimi-shkarkimi dhe do të kenë një densitet energjie më të lartë se bateritë e sotme Li-ion.

Ndërkohë, disa lloje të baterive Li-polimer përdoren aktualisht si furnizime rezervë të energjisë në klimat e nxehta. Për shembull, disa prodhues instalojnë posaçërisht elementë ngrohje që mbajnë një temperaturë të favorshme për baterinë.

Ju pyesni: si është kjo? Bateritë Li-polimer po shiten në treg me fuqi dhe kryesore, prodhuesit pajisin telefonat dhe kompjuterët me to dhe këtu themi se nuk janë ende gati për përdorim komercial. Gjithçka është shumë e thjeshtë. Në këtë rast, ne po flasim për bateri jo me një elektrolit të ngurtë të thatë. Për të rritur përçueshmërinë elektrike të baterive të vogla Li-polimer, atyre u shtohet një sasi e caktuar e elektrolitit të xhelit. Dhe shumica e baterive Li-polimer që përdoren sot për telefonat celularë janë në fakt hibride sepse përmbajnë një elektrolit të ngjashëm me xhel. Do të ishte më e saktë t'i quajmë polimer litium-jon. Por shumica e prodhuesve thjesht i etiketojnë ato si Li-polimer për qëllime promovuese. Le të ndalemi në këtë lloj baterish polimer litium më në detaje, pasi për momentin ato janë me interesin më të madh.

Pra, cili është ndryshimi midis një baterie Li-jon dhe një baterie Li-polimer me një shtesë elektrolit xhel? Megjithëse karakteristikat dhe efikasiteti i të dy sistemeve janë të ngjashme në shumë mënyra, veçantia e baterisë së polimerit Li-jon (mund ta quash edhe kështu) është se ajo ende përdor një elektrolit të ngurtë, duke zëvendësuar një ndarës poroz. Elektroliti xhel shtohet vetëm për të rritur përçueshmërinë jonike.

Vështirësitë teknike dhe një vonesë në rritjen e prodhimit vonuan prezantimin e baterive të polimerit Li-jon. Kjo, sipas disa ekspertëve, vjen si pasojë e dëshirës së investitorëve që kanë investuar shuma të mëdha parash në zhvillimin dhe prodhimin masiv të baterive Li-ion, për të rikthyer investimet e tyre. Prandaj, ata nuk po nxitojnë të kalojnë në teknologji të reja, megjithëse gjatë prodhimit masiv, bateritë polimer Li-jon do të jenë më të lira se bateritë litium-jon.

Dhe tani në lidhje me veçoritë e funksionimit të baterive Li-ion dhe Li-polimer.

Karakteristikat e tyre kryesore janë shumë të ngjashme. Ngarkimi i baterive Li-jon përshkruhet në detaje të mjaftueshme në artikull. Përveç kësaj, unë do të jap vetëm një grafik (Fig. 1) nga, duke ilustruar fazat e tarifimit dhe shpjegime të vogla për të.

Koha e karikimit të të gjitha baterive Li-jon me një rrymë fillestare të karikimit prej 1C (numerikisht e barabartë me vlerën nominale të kapacitetit të baterisë) është mesatarisht 3 orë. Ngarkimi i plotë arrihet kur voltazhi i baterisë është i barabartë me pragun e sipërm dhe kur rryma e karikimit zvogëlohet në një nivel afërsisht të barabartë me 3% të vlerës fillestare. Bateria mbetet e ftohtë gjatë karikimit. Siç mund ta shihni nga grafiku, procesi i karikimit përbëhet nga dy faza. Në fillim (pak më shumë se një orë), voltazhi rritet me një rrymë ngarkimi fillestar pothuajse konstante prej 1C derisa e para të arrijë pragun e sipërm të tensionit. Në këtë pikë, bateria ngarkohet në rreth 70% të kapacitetit të saj. Në fillim të fazës së dytë, voltazhi mbetet pothuajse konstant, dhe rryma zvogëlohet derisa të arrijë 3%. Pas kësaj, tarifa përfundon plotësisht.

Nëse kërkohet ta mbani baterinë në gjendje të ngarkuar gjatë gjithë kohës, rekomandohet të rikarikoni pas 500 orësh ose 20 ditësh. Zakonisht kryhet kur voltazhi në terminalet e baterisë zvogëlohet në 4.05 V dhe ndalon kur arrin 4.2 V.

Disa fjalë për diapazonin e temperaturës gjatë karikimit. Shumica e llojeve të baterive Li-jon mund të ngarkohen me një rrymë prej 1C në një temperaturë prej 5 deri në 45 °C. Në temperatura nga 0 deri në 5 ° C, rekomandohet të ngarkoni me një rrymë prej 0,1 C. Ngarkimi në temperatura nën zero është i ndaluar. Temperatura optimale për karikim është 15 deri në 25 ° C.

Proceset e karikimit në bateritë Li-polimer janë pothuajse identike me ato të përshkruara më sipër, kështu që konsumatori nuk ka nevojë të dijë se cilin nga dy llojet e baterive ka në duar. Dhe të gjithë ata karikues që ai përdori për bateritë Li-jon janë të përshtatshëm për Li-polimer.

Dhe tani për kushtet e shkarkimit. Në mënyrë tipike, bateritë Li-jon shkarkohen në 3,0 V për qelizë, megjithëse për disa varietete pragu i poshtëm është 2,5 V. Prodhuesit e pajisjeve me bateri zakonisht projektojnë pajisje me një prag mbylljeje 3,0 V (për të gjitha rastet). Çfarë do të thotë kjo? Tensioni në bateri kur telefoni ndizet gradualisht zvogëlohet dhe sapo të arrijë 3.0 V, pajisja do t'ju paralajmërojë dhe do të fiket. Megjithatë, kjo nuk do të thotë aspak se ai ka ndaluar së konsumuari energji nga bateria. Energjia, megjithëse e parëndësishme, kërkohet për të përcaktuar se kur shtypet tasti i ndezjes së telefonit dhe disa funksione të tjera. Për më tepër, energjia konsumohet nga qarku i tij i kontrollit të brendshëm dhe mbrojtjes, dhe vetë-shkarkimi, megjithëse i vogël, është ende tipik edhe për bateritë me bazë litiumi. Si rezultat, nëse i lini bateritë e litiumit për një kohë të gjatë pa u rimbushur, voltazhi në to do të bjerë nën 2.5 V, gjë që është shumë e keqe. Në këtë rast, është e mundur të çaktivizoni qarkun e kontrollit të brendshëm dhe mbrojtjen, dhe jo të gjithë karikuesit do të jenë në gjendje të ngarkojnë bateri të tilla. Përveç kësaj, shkarkimi i thellë ndikon negativisht në strukturën e brendshme të vetë baterisë. Një bateri e shkarkuar plotësisht duhet të ngarkohet në fazën e parë me një rrymë prej vetëm 0.1C. Me pak fjalë, bateritë kanë më shumë gjasa të jenë në gjendje të ngarkuar sesa në gjendje të shkarkuar.

Disa fjalë për kushtet e temperaturës gjatë shkarkimit (lexoni gjatë funksionimit).

Në përgjithësi, bateritë Li-jon performojnë më mirë në temperaturën e dhomës. Funksionimi në kushte më të ngrohta do të shkurtojë seriozisht jetëgjatësinë e tyre. Megjithëse, për shembull, një bateri me acid plumbi ka kapacitetin më të lartë në temperatura mbi 30 ° C, përdorimi i zgjatur në një mjedis të tillë do të shkurtojë jetën e baterisë. Po kështu, Li-ion performon më mirë në temperatura të larta, gjë që fillimisht kundërshton rritjen e rezistencës së brendshme të baterisë që rezulton nga plakja. Por rritja e prodhimit të energjisë është e shkurtër, pasi rritja e temperaturës, nga ana tjetër, nxit plakjen e përshpejtuar, shoqëruar me një rritje të mëtejshme të rezistencës së brendshme.

Përjashtimet e vetme janë aktualisht bateritë e polimerit të litiumit me elektrolit polimer të ngurtë të thatë. Për ta, një temperaturë prej 60 ° C deri në 100 ° C është jetike. Dhe bateri të tilla kanë zënë vendin e tyre në tregun e burimeve rezervë në vendet me klimë të nxehtë. Ato vendosen në një kuti të izoluar nga nxehtësia me elementë ngrohje të integruar të mundësuar nga një rrjet i jashtëm. Bateritë e polimerit li-jon si rezervë konsiderohen se i tejkalojnë bateritë VRLA në kapacitet dhe qëndrueshmëri, veçanërisht në fushën ku kontrolli i temperaturës nuk është i mundur. Por çmimi i tyre i lartë mbetet një pengesë.

Në temperatura të ulëta, efikasiteti i baterive në të gjitha sistemet elektrokimike bie ndjeshëm. Ndërsa për bateritë NiMH, SLA dhe Li-ion, -20 °C është kufiri në të cilin ato ndalojnë së funksionuari, NiCd vazhdon të funksionojë deri në -40 °C. Do të vërej vetëm se ne po flasim përsëri vetëm për bateri me përdorim të gjerë.

Është e rëndësishme të mos harroni se edhe pse bateria mund të funksionojë në temperatura të ulëta, kjo nuk do të thotë se mund të karikohet edhe në këto kushte. Ndjeshmëria e ngarkimit të shumicës së baterive në temperatura shumë të ulëta është jashtëzakonisht e kufizuar dhe rryma e karikimit në këto raste duhet të reduktohet në 0.1C.

Si përfundim, dëshiroj të vërej se mund të bëni pyetje dhe të diskutoni problemet që lidhen me Li-ion, Li-polymer, si dhe llojet e tjera të baterive në forum në nën-forumin e aksesorëve.

Gjatë shkrimit të artikullit, u përdorën materiale [- Bateri për pajisje të lëvizshme dhe kompjutera laptop. Analizuesit e baterive.

Gama e lejueshme e temperaturës për karikimin dhe shkarkimin e baterive litium-jon

Karakteristikat e testimit

Testet për numrin e cikleve u kryen me një rrymë shkarkimi prej 1C, për secilën bateri, u kryen ciklet e shkarkimit / karikimit derisa të arrihet kapaciteti 80%. Ky numër u zgjodh në bazë të kohës së brumit dhe për krahasimin e mundshëm të rezultateve më vonë. Numri i cikleve të plota ekuivalente është deri në 7500 në disa teste.
Testet e jetës u kryen në nivele dhe temperatura të ndryshme ngarkimi, matjet e tensionit bëheshin çdo 40-50 ditë për të monitoruar shkarkimin, kohëzgjatja e provave ishte 400-500 ditë.

Vështirësia kryesore në eksperimente është mospërputhja në kapacitetin e deklaruar dhe atë real. Të gjitha bateritë kanë një kapacitet më të lartë se sa thuhet, nga 0,1% në 5%, gjë që sjell një element shtesë të paparashikueshmërisë.

Bateritë më të përdorura ishin NCA dhe NMC, por u testuan gjithashtu bateri litium kobalt dhe litium fosfat.

Disa terma:
DoD - Thellësia e shkarkimit - thellësia e shkarkimit.
SoC - Gjendja e Ngarkesës - Niveli i ngarkimit.

Përdorimi i baterisë

Numri i cikleve

Për momentin, ekziston një teori që varësia e numrit të cikleve që bateria mund të përballojë nga shkalla e shkarkimit të baterisë në një cikël është si më poshtë (blu tregon ciklet e shkarkimit, e zeza tregon cikle ekuivalente të plota):

Kjo kurbë quhet kurba Wöhler. Ideja kryesore erdhi nga mekanika për varësinë e numrit të shtrirjeve të një suste nga shkalla e shtrirjes. Një vlerë fillestare prej 3000 ciklesh në shkarkimin 100% të baterisë është një mesatare e ponderuar në shkarkimin 0,1C. Disa bateri tregojnë rezultate më të mira, disa më keq. Në një rrymë prej 1C, numri i cikleve të plota në shkarkimin 100% bie nga 3000 në 1000-1500, në varësi të prodhuesit.

Në përgjithësi, ky raport, i paraqitur në grafikë, u vërtetua nga rezultatet e eksperimenteve, sepse këshillohet të ngarkoni baterinë sa herë që është e mundur.

Llogaritja e mbivendosjes së cikleve

Kur përdorni bateri, është e mundur të punoni me dy cikle të njëkohshme (për shembull, frenimi rigjenerues në një makinë):


Kjo rezulton në ciklin e kombinuar të mëposhtëm:


Shtrohet pyetja, si ndikon kjo në funksionimin e baterisë, a ulet shumë jetëgjatësia e baterisë?

Sipas rezultateve të eksperimenteve, cikli i kombinuar tregoi rezultate nga shtimi i cikleve të plota ekuivalente të dy cikleve të pavarura. ato. kapaciteti relativ i baterisë në ciklin e kombinuar ka rënë sipas shumës së shkarkimeve në ciklet e vogla dhe të mëdha (grafiku i linearizuar është paraqitur më poshtë).


Ndikimi i cikleve të mëdha të shkarkimit është më domethënës, që do të thotë se konfirmohet se bateria karikohet më së miri në çdo rast.

Efekti i kujtesës

Efekti i kujtesës i baterive litium-jon nuk u vu re sipas rezultateve të eksperimenteve. Në mënyra të ndryshme, gjithsesi kapaciteti i tij i plotë nuk ndryshoi më pas. Në të njëjtën kohë, ka një sërë studimesh që konfirmojnë praninë e këtij efekti në bateritë litium-fosfat dhe litium-titan.

Ruajtja e baterisë

Temperaturat e ruajtjes

Këtu nuk u bënë zbulime të pazakonta. Temperaturat 20-25 ° C janë optimale (në jetën normale) për ruajtjen e baterisë nëse nuk përdoret. Kur bateria ruhet në një temperaturë prej 50 ° C, degradimi i kapacitetit është pothuajse 6 herë më i shpejtë.
Natyrisht, temperaturat më të ulëta janë më të mira për ruajtje, por në jetën e përditshme kjo nënkupton ftohje të veçantë. Meqenëse temperatura e ajrit në apartament, si rregull, është 20-25 ° C, atëherë magazinimi ka shumë të ngjarë të jetë në këtë temperaturë.

Niveli i karikimit

Siç kanë treguar testet, sa më i vogël të jetë ngarkimi, aq më i ngadalshëm është vetëshkarkimi i baterisë. Kapaciteti i baterisë u mat, çfarë do të ishte nëse do të përdorej më tej pas ruajtjes afatgjatë. Rezultatet më të mira u morën me bateritë që ruheshin me një karikim afër zeros.
Në përgjithësi, bateritë që u ruajtën me ngarkesë jo më shumë se 60% në kohën e ruajtjes treguan rezultate të mira. Shifrat ndryshojnë nga ato të dhëna më poshtë për karikim 100% për më keq (d.m.th. bateria do të bëhet e papërdorshme më herët se sa tregohet në figurë):

Vizatimi i marrë nga neni 5 këshilla praktike për përdorimin e baterive litium-jon
Në të njëjtën kohë, shifrat për një tarifë të vogël janë më optimiste (94% pas një viti në 40 ° C për ruajtje në 40% SOC).
Meqenëse një tarifë prej 10% është jopraktike, pasi koha e funksionimit në këtë nivel është shumë e shkurtër, ruajini bateritë në mënyrë optimale në 60% SOC, i cili do ta lejojë atë të aplikohet në çdo kohë dhe nuk do të ndikojë në mënyrë kritike në jetën e tij të shërbimit.

Problemet kryesore të rezultateve eksperimentale

Askush nuk ka kryer teste që mund të konsiderohen 100% të besueshme. Mostra, si rregull, nuk i kalon disa mijëra bateri nga miliona të prodhuara. Shumica e studiuesve nuk janë në gjendje të ofrojnë analiza të besueshme krahasuese për shkak të mostrimit të pamjaftueshëm. Gjithashtu, rezultatet e këtyre eksperimenteve janë shpesh informacion konfidencial. Pra, këto rekomandime nuk vlejnë domosdoshmërisht për baterinë tuaj, por mund të konsiderohen optimale.

Rezultatet e eksperimenteve

Frekuenca optimale e karikimit - kurdoherë që është e mundur.
Kushtet optimale të ruajtjes janë 20-25 ° C me ngarkesë 60% të baterisë.

Burimet e

1. Lënda “Sistemet e ruajtjes së baterive”, RWTH Aachen, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer