Μπαταρίες Li-ion και Li-polymer στα σχέδιά μας. Τι είναι μια μπαταρία ιόντων λιθίου - συσκευή και τύποι
Οι διάφοροι υποτύποι του ηλεκτροχημικού συστήματος ιόντων λιθίου ονομάζονται ανάλογα με τον τύπο της δραστικής τους ουσίας και μπορούν να χαρακτηριστούν είτε πλήρως με λέξεις είτε σε συντομευμένη μορφή με χημικούς τύπους. Το κοινό χαρακτηριστικό των μπαταριών λιθίου είναι ότι ανήκουν όλες σφραγισμένες μπαταρίες χωρίς συντήρηση. Τέτοιοι τύποι δεν είναι πολύ βολικοί για ανάγνωση ή απομνημόνευση λόγω της πολυπλοκότητάς τους, επομένως απλοποιούνται σε συντομογραφία γράμματος.
Για παράδειγμα, ο κοβαλτίτης λιθίου, ένα από τα πιο κοινά υλικά για μπαταρίες ιόντων λιθίου, έχει τον χημικό τύπο LiCoO2 και τη συντομογραφία LCO. Για λόγους απλότητας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και η σύντομη λεκτική μορφή «κοβάλτιο λιθίου». Το κοβάλτιο είναι η κύρια δραστική ουσία και από αυτό χαρακτηρίζεται ο τύπος της μπαταρίας. Άλλοι τύποι ηλεκτροχημικών συστημάτων ιόντων λιθίου μειώνονται επίσης σε σύντομη μορφή. Αυτή η ενότητα παραθέτει τους έξι πιο συνηθισμένους τύπους Li-ion.
1. Μπαταρία λιθίου κοβαλτίου (LiCoO2)
Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα καθιστά τις μπαταρίες λιθίου-κοβαλτίου μια δημοφιλή επιλογή για κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές. Η μπαταρία αποτελείται από μια άνοδο γραφίτη και μια κάθοδο οξειδίου του κοβαλτίου. Η κάθοδος έχει μια στρωματοποιημένη δομή και κατά την εκκένωση, τα ιόντα λιθίου κινούνται προς αυτήν από την άνοδο. Κατά τη φόρτιση, η κατεύθυνση αλλάζει προς το αντίθετο. Τα μειονεκτήματα των μπαταριών λιθίου-κοβαλτίου είναι η σχετικά μικρή διάρκεια ζωής τους, η κακή θερμική σταθερότητα και η περιορισμένη χωρητικότητα φορτίου (πυκνότητα ισχύος). Το σχήμα 1 δείχνει τη δομή μιας τέτοιας μπαταρίας.
Εικόνα 1: Δομή μπαταρίας κοβαλτίου λιθίου.Κατά την εκφόρτιση, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την άνοδο στην κάθοδο και κατά τη φόρτιση, από την κάθοδο στην άνοδο.
Μια μπαταρία κοβαλτίου λιθίου δεν μπορεί να φορτιστεί ή να αποφορτιστεί με ρεύμα μεγαλύτερο από αυτό Βαθμολογία C. Αυτό σημαίνει ότι μια κυψέλη 18650 με χωρητικότητα 2400 mAh μπορεί να φορτιστεί ή να αποφορτιστεί με ρεύμα που δεν υπερβαίνει τα 2400 mA. Η επιβολή γρήγορης φόρτισης ή η σύνδεση φορτίου που απαιτεί περισσότερα από 2400 mA θα έχει ως αποτέλεσμα αδικαιολόγητη καταπόνηση και υπερθέρμανση. Για γρήγορη φόρτιση, οι κατασκευαστές συνιστούν βαθμολογία C 0,8C ή περίπου 2000 mA. Όταν χρησιμοποιείτε το σύστημα προστασίας της μπαταρίας, περιορίζει αυτόματα τη φόρτιση και την αποφόρτιση σε ένα ασφαλές επίπεδο - περίπου 1C.
Εικόνα 2: Μέση βαθμολογία μπαταρίας κοβαλτίου λιθίου.Το ηλεκτροχημικό σύστημα λιθίου-κοβαλτίου έχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, αλλά προσφέρει μέση πυκνότητα ισχύος, ασφάλεια και διάρκεια ζωής.
Πίνακας χαρακτηριστικών
| Κοβαλτίτης λιθίου: κάθοδος LiCoO2 (~60% κοβάλτιο), άνοδος γραφίτη Συντομογραφία: LCO ή Li-cobalt Αναπτύχθηκε το 1991 |
|
| Τάση | 3,60 V ονομαστική; τυπικό εύρος λειτουργίας - 3,0-4,2 V |
| Ειδική ένταση ενέργειας | 150-200 W*h/kg; Τα εξειδικευμένα μοντέλα παρέχουν έως και 240 W*h/kg |
| Φόρτιση με βαθμολογία C | 0,7-1C, τάση φόρτισης 4,20 V (τα περισσότερα μοντέλα). Η διαδικασία φόρτισης διαρκεί συνήθως 3 ώρες. Η φόρτιση με ρεύμα μεγαλύτερο από 1C μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας |
| Κατηγορία C-ranking | 1C; όταν η τάση είναι κάτω από 2,50 V, ενεργοποιείται ο διακόπτης αποκοπής. Το ρεύμα εκφόρτισης πάνω από 1C μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας |
| 500-1000, εξαρτάται από το βάθος εκφόρτισης, το φορτίο, τη θερμοκρασία | |
| Θερμική διάσπαση | Συνήθως στους 150°C. Η πλήρης φόρτιση προάγει τη θερμική διαφυγή |
| Τομείς χρήσης | Κινητά τηλέφωνα, tablet, φορητοί υπολογιστές, κάμερες |
| Ενα σχόλιο | Πολύ υψηλή ειδική ενεργειακή ένταση, περιορισμένη ειδική ισχύ. Υψηλό κόστος κοβαλτίου. Εξυπηρετεί σε χώρους όπου απαιτείται μεγάλη χωρητικότητα. Έχει σταθερή ζήτηση στην αγορά. |
Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά μπαταρίας κοβαλτίου λιθίου.
2. Μπαταρία λιθίου μαγγανίου (LiMn2O4)
Ο σχεδιασμός μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου-σπινελίου μαγγανίου δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στο περιοδικό Materials Research Bulletin το 1983. Το 1996, η Moli Energy κυκλοφόρησε στο εμπόριο μια κυψέλη ιόντων λιθίου με σπινέλιο λιθίου μαγγανίου ως υλικό καθόδου. Η τρισδιάστατη δομή σπινελίου βελτιώνει τη ροή των ιόντων στο ηλεκτρόδιο, με αποτέλεσμα τη μειωμένη εσωτερική αντίσταση και τη βελτίωση του χειρισμού του ρεύματος. Ένα άλλο πλεονέκτημα του σπινελίου είναι η υψηλή θερμική του σταθερότητα, αλλά η διάρκεια ζωής και ο αριθμός των κύκλων είναι περιορισμένοι.
Η χαμηλή εσωτερική αντίσταση ενός τέτοιου στοιχείου εξασφαλίζει γρήγορη φόρτιση και υψηλό πιθανό ρεύμα εκφόρτισης. Στο μέγεθος 18650, η μπαταρία λιθίου μαγγανίου μπορεί να αποφορτιστεί με ρεύμα 20-30 A με μέτρια παραγωγή θερμότητας. Επιπλέον, είναι ικανό να αντέξει παλμούς έως και 50 A για ένα έως δύο δευτερόλεπτα. Ένα συνεχές φορτίο 50 A θα οδηγήσει σε θέρμανση της μπαταρίας, η οποία δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 80 ° C για να αποφευχθεί η υποβάθμιση. Οι μπαταρίες λιθίου-μαγγανίου χρησιμοποιούνται σε εργαλεία υψηλής ισχύος, ιατρικό εξοπλισμό και υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα.
Το Σχήμα 4 παρέχει μια γραφική απεικόνιση του τρισδιάστατου κρυσταλλικού πλαισίου του υλικού καθόδου. Αυτό το υλικό είναι το σπινέλιο, στο οποίο η αρχική δικτυωτή δομή σε σχήμα ρόμβου μετατρέπεται σε τρισδιάστατη.
Εικόνα 4: Δομή μπαταρίας λιθίου μαγγανίου.Η κρυσταλλική κάθοδος σπινελίου μαγγανίου λιθίου έχει μια τρισδιάστατη δομή πλαισίου που εμφανίζεται μετά τον αρχικό σχηματισμό. Το σπινέλιο παρέχει χαμηλή αντίσταση αλλά έχει πιο μέτρια ενεργειακή πυκνότητα από το κοβάλτιο.
Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας λιθίου-μαγγανίου είναι περίπου ένα τρίτο μικρότερη από αυτή μιας μπαταρίας λιθίου-κοβαλτίου. Η ευελιξία σχεδιασμού σάς επιτρέπει να βελτιστοποιείτε την μπαταρία για διαφορετικές εργασίες και να δημιουργείτε μοντέλα με βελτιωμένη αντοχή, ειδική ισχύ ή συγκεκριμένη ένταση ενέργειας. Για παράδειγμα, η έκδοση 18650 με βελτιωμένες ονομασίες ισχύος έχει χωρητικότητα μόνο 1100 mAh, ενώ η βελτιστοποιημένη για χωρητικότητα έχει 1500 mAh.
Το σχήμα 5 δείχνει ένα εξαγωνικό διάγραμμα μιας τυπικής μπαταρίας μαγγανίου λιθίου. Η απόδοση μπορεί να μην φαίνεται ιδιαίτερα εντυπωσιακή, αλλά τα τελευταία σχέδια έχουν βελτιώσει την πυκνότητα ισχύος, την ασφάλεια και το προσδόκιμο ζωής.
Εικόνα 5: Χαρακτηριστικά μιας συμβατικής μπαταρίας λιθίου μαγγανίου.Παρά τη μέτρια συνολική απόδοση, τα νέα μοντέλα επιδεικνύουν βελτιωμένη πυκνότητα ισχύος, ασφάλεια και μακροζωία.
Οι περισσότερες μπαταρίες λιθίου μαγγανίου συνδυάζονται με μπαταρίες λιθίου νικελίου μαγγανίου κοβαλτίου (NMC) για τη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας και την παράταση της διάρκειας ζωής. Αυτή η ένωση εκμεταλλεύεται τις δυνάμεις και των δύο συστημάτων και ονομάζεται LMO (NMC). Είναι αυτές οι συνδυαστικές μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα περισσότερα ηλεκτρικά οχήματα όπως τα Nissan Leaf, Chevy Volt και BMW i3. Το τμήμα LMO μιας τέτοιας μπαταρίας, που είναι περίπου 30%, παρέχει τις υψηλές δυνατότητες επιτάχυνσης του ηλεκτροκινητήρα και το τμήμα NMC είναι υπεύθυνο για την ποσότητα της αυτόνομης εμβέλειας.
Η έρευνα στο σύστημα ιόντων λιθίου έχει προσανατολιστεί σε μεγάλο βαθμό προς το συνδυασμό κυττάρων λιθίου-μαγγανίου με κύτταρα νικελίου-μαγγανίου-κοβαλτίου. Αυτά τα τρία ενεργά μέταλλα μπορούν εύκολα να συνδυαστούν για να επιτύχουν το επιθυμητό αποτέλεσμα, είτε αυξάνουν την πυκνότητα ισχύος, τα χαρακτηριστικά φορτίου ή τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Αυτό το ευρύ φάσμα δυνατοτήτων είναι απαραίτητο για να ανταποκριθεί στην ενοποιημένη τεχνολογική προσέγγιση και στην αγορά μπαταριών καταναλωτών, όπου η χωρητικότητα είναι πρώτη. και τη βιομηχανία, όπου χρειάζονται συστήματα μπαταριών με καλά χαρακτηριστικά φορτίου, μεγάλη διάρκεια ζωής και αξιόπιστη ασφαλή λειτουργία.
Πίνακας χαρακτηριστικών
| Σπινέλιο λιθίου μαγγανίου: κάθοδος LiMn2O4, άνοδος γραφίτη Συντομογραφία: LNO ή Li-μαγγάνιο (δομή σπινελίου) Αναπτύχθηκε το 1996 |
|
| Τάση | 3,70V (3,80V) ονομαστική; τυπικό εύρος λειτουργίας - 3,0-4,2 V |
| Ειδική ένταση ενέργειας | 100-150 W*h/kg |
| Φόρτιση με βαθμολογία C | Πρότυπο 0,7-1C; 3C μέγιστο; Φόρτιση έως 4,20 V (οι περισσότερες μπαταρίες) |
| Κατηγορία C-ranking | Πρότυπο 1C; υπάρχουν μοντέλα με 10C? παλμική λειτουργία (έως 5 δευτερόλεπτα) - 50C. στα 2,50 V ενεργοποιείται ο διακόπτης αποκοπής |
| Αριθμός κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης | 300-700 (ανάλογα με το βάθος εκφόρτισης και τη θερμοκρασία) |
| Θερμική διάσπαση | Συνήθως στους 250°C. Η πλήρης φόρτιση προάγει τη θερμική διαφυγή |
| Τομείς χρήσης | Ηλεκτρικά εργαλεία, ιατρικός εξοπλισμός, ηλεκτρικές μονάδες |
| Ενα σχόλιο | Υψηλή ισχύς αλλά μέτρια χωρητικότητα. ασφαλέστερο από το λίθιο-κοβάλτιο. συνήθως χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με το NMC |
Πίνακας 6: Προδιαγραφές μπαταρίας λιθίου μαγγανίου.
3. Μπαταρία νικελίου λιθίου οξειδίου κοβαλτίου μαγγανίου (LiNiMnCoO2 ή NMC)
Ένα από τα πιο επιτυχημένα σχέδια του ηλεκτροχημικού συστήματος ιόντων λιθίου είναι ο συνδυασμός νικελίου, μαγγανίου και κοβαλτίου (NMC) στην κάθοδο. Παρόμοια με τα συστήματα μαγγανίου λιθίου, αυτά τα συστήματα μπορούν να βελτιστοποιηθούν για χωρητικότητα ή ισχύ. Για παράδειγμα, μια μπαταρία NMC σε μέγεθος κυψέλης 18650 για μέτριο φορτίο έχει χωρητικότητα 2800 mAh και μπορεί να παρέχει ρεύμα 4-5 A. και η έκδοση στο ίδιο τυπικό μέγεθος, αλλά βελτιστοποιημένη για δείκτες ισχύος, έχει χωρητικότητα μόνο 2000 mAh, αλλά το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισής της είναι 20 A. Ο δείκτης χωρητικότητας μπορεί να αυξηθεί στα 4000 mAh εάν προστεθεί πυρίτιο στην άνοδο. Αλλά από την άλλη πλευρά, αυτό θα μειώσει σημαντικά τα χαρακτηριστικά φορτίου και την αντοχή μιας τέτοιας μπαταρίας. Τέτοιες διφορούμενες ιδιότητες του πυριτίου προκύπτουν λόγω της διαστολής και της συστολής του κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, γεγονός που οδηγεί σε μηχανική αστάθεια του σχεδιασμού της μπαταρίας.
Το μυστικό της τεχνολογίας NMC είναι ο συνδυασμός νικελίου και μαγγανίου. Μια αναλογία μπορεί να είναι το συνηθισμένο επιτραπέζιο αλάτι, όπου μεμονωμένα τα συστατικά του, το νάτριο και το χλώριο, είναι πολύ τοξικά, αλλά ο συνδυασμός τους αποτελεί μια χρήσιμη θρεπτική ουσία. Το νικέλιο είναι γνωστό για την υψηλή ενεργειακή του πυκνότητα αλλά τη χαμηλή του σταθερότητα. Το μαγγάνιο έχει το πλεονέκτημα της δομής σπινελίου, που παρέχει χαμηλή εσωτερική αντίσταση, αλλά οδηγεί και σε ένα μειονέκτημα - χαμηλή ειδική ενεργειακή ένταση. Ο συνδυασμός αυτών των μετάλλων καθιστά δυνατή την αντιστάθμιση των ελλείψεων του άλλου και την πλήρη χρήση των δυνατοτήτων του άλλου.
Οι μπαταρίες NMC χρησιμοποιούνται για εργαλεία βαρέως τύπου, ηλεκτρικά ποδήλατα και άλλες εφαρμογές ισχύος. Η σύνθεση της καθόδου, κατά κανόνα, συνδυάζει νικέλιο, μαγγάνιο και κοβάλτιο σε ίσα μέρη, δηλαδή κάθε μέταλλο καταλαμβάνει το ένα τρίτο του συνολικού όγκου. Αυτή η κατανομή είναι επίσης γνωστή ως 1-1-1. Ο συνδυασμός σε αυτή την αναλογία είναι πλεονεκτικός λόγω του κόστους του, αφού η περιεκτικότητα σε ακριβό κοβάλτιο είναι σχετικά μικρή σε σύγκριση με άλλες εκδόσεις της μπαταρίας. Ένας άλλος επιτυχημένος συνδυασμός NMC περιέχει 5 μέρη νικελίου, 3 μέρη κοβαλτίου και 2 μέρη μαγγανίου. Τα πειράματα για την εύρεση επιτυχημένων συνδυασμών αυτών των δραστικών ουσιών βρίσκονται ακόμη σε εξέλιξη. Το σχήμα 7 δείχνει τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας NMC.
Εικόνα 7: Αξιολόγηση απόδοσης μπαταρίας NMC.Το NMC έχει καλή συνολική απόδοση και εξαιρετική ενεργειακή πυκνότητα. Αυτή η μπαταρία είναι η προτιμώμενη επιλογή για ηλεκτρικά οχήματα και έχει το χαμηλότερο επίπεδο αυτοθέρμανσης.
Πρόσφατα, η οικογένεια μπαταριών ιόντων λιθίου NMC είναι η πιο δημοφιλής, καθώς χάρη στη δυνατότητα συνδυασμού δραστικών ουσιών κατέστη δυνατή η κατασκευή μιας οικονομικής μπαταρίας με καλή απόδοση. Το νικέλιο, το μαγγάνιο και το κοβάλτιο μπορούν εύκολα να αναμειχθούν για να ικανοποιήσουν ένα ευρύ φάσμα απαιτήσεων για ηλεκτρικά οχήματα ή συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που απαιτούν τακτική ποδηλασία. Η οικογένεια μπαταριών NMC αναπτύσσεται ενεργά στην ποικιλομορφία της.
Πίνακας χαρακτηριστικών
| Οξείδιο κοβαλτίου νικελίου λιθίου: κάθοδος LiNiMnCoO2, άνοδος γραφίτη Συντομογραφία: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN παρόμοιο με μεταλλικό συνδυασμό) Αναπτύχθηκε το 2008 |
|
| Τάση | 3,60-3,70 V ονομαστική; τυπικό εύρος λειτουργίας - 3,0-4,2 V ανά στοιχείο ή υψηλότερο |
| Ειδική ένταση ενέργειας | 150-220 W*h/kg |
| Φόρτιση με βαθμολογία C | 0,7-1C, φόρτιση έως 4,20 V, σε ορισμένα μοντέλα έως 4,30 V. Η διαδικασία φόρτισης διαρκεί συνήθως 3 ώρες. Η φόρτιση με ρεύμα μεγαλύτερο από 1C μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας |
| Κατηγορία C-ranking | 1C; ορισμένα μοντέλα υποστηρίζουν 2C. στα 2,50 V ενεργοποιείται ο διακόπτης αποκοπής |
| Αριθμός κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης | |
| Θερμική διάσπαση | Συνήθως στους 210°C. Η πλήρης φόρτιση προάγει τη θερμική διαφυγή |
| Τομείς χρήσης | Ηλεκτρικά ποδήλατα, ιατρικός εξοπλισμός, ηλεκτρικά οχήματα, βιομηχανία |
| Ενα σχόλιο | Παρέχετε υψηλή χωρητικότητα και ισχύ. Ευρύ φάσμα πρακτικών εφαρμογών, το μερίδιο αγοράς αυξάνεται ραγδαία |
Πίνακας 8: Χαρακτηριστικά μπαταρίας οξειδίου του κοβαλτίου νικελίου λιθίου (NMC).
4. Μπαταρία φωσφορικού σιδήρου λιθίου (LiFePO4)
Το 1996 πραγματοποιήθηκε έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, με αποτέλεσμα να ανακαλυφθεί νέο υλικό για την κάθοδο μπαταρία ιόντων λιθίου- φωσφορικό σίδηρο. Το σύστημα φωσφορικού λιθίου έχει καλές ηλεκτροχημικές ιδιότητες και χαμηλή εσωτερική αντίσταση. Τα κύρια πλεονεκτήματα τέτοιων μπαταριών είναι τα υψηλά επίπεδα ρεύματος και η μεγάλη διάρκεια ζωής, επιπλέον, έχουν καλή θερμική σταθερότητα, αυξημένη ασφάλεια και αντοχή σε κακή χρήση.
Οι μπαταρίες φωσφορικού λιθίου είναι πιο ανθεκτικές στην υπερφόρτιση. Εάν εφαρμόζεται υψηλή τάση σε αυτά για μεγάλο χρονικό διάστημα, τότε οι συνέπειες υποβάθμισης θα είναι αισθητά μικρότερες σε σύγκριση με άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αλλά η τάση κυψέλης των 3,20 V μειώνει την ειδική ενεργειακή πυκνότητα σε επίπεδο ακόμη μικρότερο από αυτό μιας μπαταρίας λιθίου-μαγγανίου. Για τις περισσότερες ηλεκτρικές μπαταρίες, οι χαμηλές θερμοκρασίες μειώνουν την απόδοση και οι υψηλές θερμοκρασίες μειώνουν τη διάρκεια ζωής και το σύστημα φωσφορικού λιθίου δεν αποτελεί εξαίρεση. Έχει επίσης υψηλότερο ρυθμό αυτοεκφόρτισης από άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Το σχήμα 9 δείχνει τα χαρακτηριστικά μιας μπαταρίας φωσφορικού λιθίου.
Οι μπαταρίες φωσφορικού λιθίου χρησιμοποιούνται συχνά ως αντικατάσταση των μπαταριών εκκίνησης μολύβδου-οξέος. Τέσσερα στοιχεία μιας τέτοιας μπαταρίας θα παρέχουν τάση 12,8 V - παρόμοια με την τάση έξι στοιχείων μολύβδου-οξέος δύο βολτ. Ο εναλλάκτης του οχήματος επαναφορτίζει την μπαταρία μολύβδου-οξέος στα 14,40 V (2,40 V ανά κυψέλη). Για τέσσερις κυψέλες φωσφορικού λιθίου, η οριακή τάση θα είναι 3,60 V, μετά την οποία θα πρέπει να απενεργοποιηθεί η επαναφόρτιση, κάτι που δεν συμβαίνει σε ένα κανονικό όχημα. Οι μπαταρίες φωσφορικού λιθίου είναι ανθεκτικές στην υπερφόρτιση, αλλά ακόμη και αυτές υποβαθμίζονται όταν διατηρούνται σε υψηλή τάση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί επίσης να είναι πρόβλημα όταν χρησιμοποιείτε μια μπαταρία φωσφορικού λιθίου ως αντικατάσταση μιας κανονικής μπαταρίας εκκίνησης.
Εικόνα 9: Αξιολόγηση απόδοσης μπαταρίας φωσφορικού λιθίου.Το ηλεκτροχημικό σύστημα φωσφορικού λιθίου παρέχει εξαιρετική ασφάλεια και μεγάλη διάρκεια ζωής, αλλά η συγκεκριμένη ενεργειακή ένταση είναι μέτρια και η υψηλή αυτοεκφόρτιση αξίζει επίσης να σημειωθεί.
Πίνακας χαρακτηριστικών
| Σιδηροφωσφορικό λίθιο: κάθοδος LiFePO4, άνοδος γραφίτη Συντομογραφία: LFP ή Li-phosphate |
|
| Τάση | 3,20, 3,30 V ονομαστική; τυπικό εύρος λειτουργίας - 2,5-3,65 V ανά στοιχείο |
| Ειδική ένταση ενέργειας | 90-120 W*h/kg |
| Φόρτιση με βαθμολογία C | Πρότυπο 1C, φόρτιση έως 3,65 V. Η διαδικασία φόρτισης διαρκεί συνήθως 3 ώρες |
| Κατηγορία C-ranking | 1C; σε ορισμένες εκδόσεις έως 25C. Ρεύματα παλμού 40 A (έως 2 δευτερόλεπτα). στα 2,50 V ενεργοποιείται η διακοπή (η τάση κάτω από 2 V είναι επιβλαβής) |
| Αριθμός κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης | 1000-2000 (ανάλογα με το βάθος εκφόρτισης και τη θερμοκρασία) |
| Θερμική διάσπαση | 270°C. Ασφαλές ακόμα και όταν είναι πλήρως φορτισμένο |
| Τομείς χρήσης | Φορητές και σταθερές εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλά ρεύματα φορτίου και αντοχή |
Οι περισσότερες σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές, όπως φορητός υπολογιστής, τηλέφωνο ή συσκευή αναπαραγωγής, είναι εξοπλισμένες με μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες λειτουργούν ως αυτόνομες πηγές ενέργειας. Αυτές οι μπαταρίες ιόντων αναπτύχθηκαν σχετικά πρόσφατα, αλλά λόγω των χαρακτηριστικών τους έχουν κερδίσει μεγάλη δημοτικότητα μεταξύ των σχεδιαστών και των κατασκευαστών gadget. Τώρα, εκτός από διάφορες οικιακές συσκευές, πολλά εργαλεία φινιρίσματος και επισκευής, κατσαβίδια ή μηχανές κοπής είναι εξοπλισμένα με τέτοιες πηγές ενέργειας. Αυτό το άρθρο εξετάζει τους τύπους μπαταριών ιόντων λιθίου, το πεδίο εφαρμογής και τις αρχές λειτουργίας τους.
Τύποι μπαταριών ιόντων λιθίου
Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, οι οποίες λειτουργούν με βάση την αρχή της αποθήκευσης ενέργειας και της διανομής της στη συσκευή που καταναλώνεται, διατίθενται σε διάφορους τύπους που μπορούν να συνδυαστούν σε μία μονάδα ιόντων λιθίου. Αυτές οι μπαταρίες περιλαμβάνουν:
- Μπαταρία λιθίου κοβαλτίου. Μια τέτοια συσκευή αποτελείται από μια άνοδο γραφίτη και μια κάθοδο κατασκευασμένη από οξείδιο του κοβαλτίου. Η κάθοδος έχει μια δομή πλάκας με κενά μεταξύ των μερών, έτσι όταν καταναλώνεται ισχύς, ιόντα λιθίου τροφοδοτούνται στις πλάκες από την άνοδο, εμφανίζεται ηλεκτρομαγνητική αντίδραση και εφαρμόζεται τάση στους ακροδέκτες. Το μειονέκτημα ενός τέτοιου συστήματος είναι η κακή αντίσταση του μηχανισμού στις μεταβολές της θερμοκρασίας, αφού σε αρνητικές θερμοκρασίες η μπαταρία αποφορτίζεται, ακόμα κι αν δεν είναι συνδεδεμένη με καταναλωτή. Κατά τη φόρτιση του προϊόντος, η κατεύθυνση του ρεύματος αλλάζει και τα ιόντα λιθίου ρέουν μέσω των καθόδων προς τις ανόδους, συσσωρεύονται και η τάση αυξάνεται. Απαγορεύεται αυστηρά η σύνδεση του φορτιστή σε μπαταρία της οποίας η ονομαστική τάση είναι υψηλότερη από αυτή του εξαρτήματος, διαφορετικά η μπαταρία μπορεί να υπερθερμανθεί, οι πλάκες θα λιώσουν και η θήκη θα σπάσει.
- Μπαταρία λιθίου μαγγανίου. Ισχύει επίσης για μπαταρίες ιόντων λιθίου, το μέσο εργασίας των οποίων είναι κατασκευασμένο από σπινέλιο μαγγανίου με τη μορφή τρισδιάστατων σηράγγων σε σχήμα σταυρού. Σε αντίθεση με το σύστημα κοβαλτίου, αυτός ο τύπος βάσης εξασφαλίζει την ανεμπόδιστη διέλευση των ιόντων λιθίου από την άνοδο στην κάθοδο και στη συνέχεια στις επαφές της συσκευής. Το κύριο πλεονέκτημα της μπαταρίας ιόντων λιθίου μαγγανίου είναι η χαμηλή αντίσταση του υλικού, επομένως τέτοιες μπαταρίες χρησιμοποιούνται συχνά για υβριδικά οχήματα, εργαλεία που καταναλώνουν μεγάλη ποσότητα ρεύματος ή σε ιατρικό εξοπλισμό που λειτουργεί αυτόνομα. Η μπαταρία μπορεί να θερμανθεί έως και 80 μοίρες κατά τη φόρτιση και το ονομαστικό ρεύμα μπορεί να είναι έως και 20-30 Amperes. Δεν συνιστάται η έκθεση της μπαταρίας σε τάση ρεύματος μεγαλύτερη από 50A για περισσότερο από δύο δευτερόλεπτα, διαφορετικά οι σπινέλ μπορεί να υπερθερμανθούν και να αποτύχουν.
- Μπαταρίες ιόντων λιθίου με κάθοδο φωσφορικού σιδήρου. Μια τέτοια μπαταρία είναι σπάνια λόγω του σχετικά υψηλού κόστους παραγωγής, η τελική της τιμή είναι ελαφρώς υψηλότερη από άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η κάθοδος φωσφορικών έχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα: έχει διάρκεια ζωής του προϊόντος και συχνότητα επαναφόρτισης που είναι σημαντικά ανώτερη από παρόμοιες συσκευές. Τις περισσότερες φορές, αυτές οι μπαταρίες έχουν εγγύηση 10 έως 50 ετών ή περίπου 500 κύκλους φόρτισης. Λόγω τέτοιων δεικτών, μπαταρίες με φωσφορικό σίδηρο χρησιμοποιούνται συχνά στη βιομηχανία όταν είναι απαραίτητο να επιτευχθεί υψηλή τάση εξόδου.
- Μπαταρίες ιόντων οξειδίου κοβαλτίου νικελίου λιθίου μαγγανίου. Αυτός είναι ο πιο πρακτικός, από την άποψη του κόστους παραγωγής και της αξιοπιστίας του τελικού προϊόντος, συνδυασμός υλικών για την κατασκευή της καθόδου. Λόγω των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των αναγραφόμενων ουσιών, η κάθοδος που κατασκευάζεται από αυτές έχει χαμηλές τιμές αντίστασης, επομένως σε μεγάλες περιόδους αδράνειας της μπαταρίας, η εκφόρτιση θα είναι ελάχιστη. Επίσης, αυξάνοντας το μέγεθος της κυψέλης γυαλιού ή καθόδου, μπορείτε να αυξήσετε τη συνολική χωρητικότητα της μπαταρίας ή να αυξήσετε την τάση. Το μυστικό βρίσκεται στον συνδυασμό μαγγανίου και νικελίου, το οποίο, όταν συνδυάζεται σωστά, δημιουργεί μια αλυσίδα με υψηλές ηλεκτροχημικές ιδιότητες.
- Μπαταρία τιτανικού λιθίου. Αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980, σε αντίθεση με τις μπαταρίες ιόντων με πυρήνα γραφίτη, η κάθοδος αυτής της συσκευής αποτελείται από νανοκρυστάλλους τιτανικού λιθίου. Μια κάθοδος από αυτό το υλικό επιτρέπει την επαναφόρτιση της μπαταρίας σε σύντομο χρονικό διάστημα και διατηρεί την τάση με μηδενική αντίσταση. Αυτή η μονάδα χρησιμοποιείται συχνά σε αυτόνομα συστήματα φωτισμού οδών, όταν είναι απαραίτητο να συσσωρευτεί ενέργεια σε σύντομο χρονικό διάστημα και να διανεμηθεί στον καταναλωτή για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το μειονέκτημα ενός τέτοιου συστήματος είναι το σχετικά υψηλό κόστος της τελικής μπαταρίας, αλλά πληρώνεται γρήγορα λόγω της αυξημένης διάρκειας ζωής του εξαρτήματος.
Σπουδαίος!Όλες οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που αναφέρονται είναι μπαταρίες που δεν χρειάζονται συντήρηση, επομένως σε περίπτωση βλάβης ή βλάβης, δεν θα είναι δυνατή η επισκευή ή η εκτέλεση εργασιών σέρβις για την προσθήκη ηλεκτρολύτη. Τυχόν χειρισμοί για το άνοιγμα του καλύμματος της μπαταρίας θα οδηγήσουν σε καταστροφή των πλακών της μπαταρίας και πλήρη αστοχία.
Αρχή λειτουργίας μπαταριών ιόντων λιθίου
Όλες οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν παρόμοια δομή, η οποία έχει μερικές μικρές διαφορές που δεν επηρεάζουν την αρχή λειτουργίας του εξαρτήματος. Το εξωτερικό κέλυφος είναι κατασκευασμένο από σύνθετο υλικό, πλαστικό ή λεπτό μη σιδηρούχο μέταλλο, το οποίο είναι πολύ σπάνιο. Τις περισσότερες φορές, η μπαταρία αποτελείται από πλαστική θήκη, μεταλλικούς ακροδέκτες για επαφή με τον καταναλωτή και εσωτερικές ράβδους με θετική και αρνητική τάση. Το εσωτερικό λίθιο φορτίζεται συνδέοντας μια εξωτερική συσκευή με σταθερό ρεύμα, αλλά κάθε προϊόν έχει ένα πρωτεύον φορτίο, το οποίο συμβαίνει λόγω μιας χημικής αντίδρασης μεταξύ της ανόδου και της καθόδου.
Οι διεργασίες στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, κατασκευασμένο από ανθρακούχο υλικό, το οποίο έχει την εμφάνιση φυσικού γραφίτη, είναι τυχαία φορτισμένα άτομα που κινούνται μέσα στη μήτρα χωρίς απώλεια τάσης. Όλοι οι δείκτες σε αυτόν τον τομέα είναι αρνητικοί.
Το θετικό ηλεκτρόδιο μιας μπαταρίας λιθίου είναι κατασκευασμένο αποκλειστικά από οξείδια κοβαλτίου ή νικελίου, καθώς και σπινέλια μαγγανίου λιθίου. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, τα ιόντα λιθίου απομακρύνονται από τον πυρήνα του άνθρακα και, αφού αντιδράσουν με το οξυγόνο, διεισδύουν στην κάθοδο και εκτοξεύονται έξω, αλλά δεν μπορούν να φύγουν από το σώμα της μπαταρίας. Τα φορτισμένα ιόντα λιθίου χάνουν την τάση τους και παραμένουν στην επιφάνεια της ανόδου μέχρι να φορτιστεί το λίθιο. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, η όλη διαδικασία πραγματοποιείται με αντίστροφη σειρά.
Σχέδιο μπαταρίας ιόντων λιθίου
Όπως μια αλκαλική μπαταρία, μια μπαταρία λιθίου κατασκευάζεται σε κυλινδρικό σχήμα ή μπορεί να έχει πρισματικό σχήμα. Μια κυλινδρική μπαταρία χρησιμοποιεί κυλινδρικά ηλεκτρόδια ως πυρήνα, μονωμένα με ειδικό κέλυφος και τοποθετημένα σε μεταλλική θήκη, η οποία συνδέεται με αρνητικά φορτισμένα στοιχεία. Για να διατηρηθεί η πολικότητα, η αρνητική επαφή βρίσκεται στο κάτω μέρος και η θετική επαφή βρίσκεται στο πάνω μέρος του εξαρτήματος και αυτά τα στοιχεία δεν πρέπει να αγγίζουν το ένα το άλλο, διαφορετικά το ρεύμα θα κυκλοφορήσει μέσω του αγωγού, γεγονός που θα οδηγήσει σε αυθόρμητη εκφόρτιση.
Το πρισματικό σχήμα μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι αρκετά κοινό. Σε αυτό το σχέδιο, ο πυρήνας σχηματίζεται με τη στοίβαξη ειδικών πλακών το ένα πάνω στο άλλο, οι οποίες βρίσκονται σε ελάχιστη απόσταση μεταξύ τους. Αυτό το σύστημα επιτρέπει υψηλότερες τεχνικές επιδόσεις, αλλά λόγω της σφιχτής εφαρμογής των πλακών κατά τη φόρτιση των μπαταριών, ο πυρήνας μπορεί να υπερθερμανθεί και το πλέγμα να λιώσει, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της μερικής παραγωγικότητας.
Συχνά μπορείτε να βρείτε ένα σύστημα συνδυασμένης μπαταρίας ιόντων λιθίου, όπου τα ηλεκτρόδια τυλίγονται σε ρολό και διαμορφώνονται σε έναν οβάλ κύλινδρο. Ταυτόχρονα, τηρούνται οι κανόνες της ομαλής μετάβασης και ταυτόχρονα, το ευθύ τμήμα μιμείται το σχήμα της πλάκας. Τέτοιες μπαταρίες έχουν τα χαρακτηριστικά και των δύο τύπων προϊόντων, η διάρκεια ζωής τους είναι πολύ μεγαλύτερη.
Κατά τη χημική αντίδραση και τη λειτουργία της μπαταρίας, σχηματίζονται αέρια στο εσωτερικό της θήκης που περιέχουν επιβλαβείς ουσίες. Για να αφαιρέσετε γρήγορα αυτούς τους ατμούς, υπάρχει μια έξοδος στην περίπτωση των μπαταριών ιόντων λιθίου, η οποία συνδέεται με τις τράπεζες και απομακρύνει αμέσως το συσσωρευμένο αέριο από την κοιλότητα της μπαταρίας. Ορισμένες μπαταρίες υψηλής ισχύος είναι εξοπλισμένες με μια ειδική βαλβίδα που ενεργοποιείται κατά την κρίσιμη συσσώρευση ατμού.
Έλεγχος της μπαταρίας ιόντων λιθίου
Οι φορτίσεις λιθίου στο εσωτερικό της μπαταρίας απαιτούν περιοδικό έλεγχο, παρά το γεγονός ότι η καθορισμένη μπαταρία θεωρείται ότι δεν χρειάζεται συντήρηση, καθώς η θήκη της είναι σφραγισμένη, η μπαταρία εξακολουθεί να πρέπει να ελέγχεται χρησιμοποιώντας ειδική συσκευή.
Η επιθεώρηση ξεκινά πάντα με μια εξωτερική επιθεώρηση, κατά την οποία ελέγχεται το σώμα του εξαρτήματος για ρωγμές και παραμορφώσεις. Οι ακροδέκτες της μπαταρίας ελέγχονται επίσης και καθαρίζονται από οξείδωση και άλλους ρύπους.
Σπουδαίος!Είναι απαραίτητο να διατηρείτε την μπαταρία καθαρή, αποφεύγοντας το βραχυκύκλωμα των επαφών μεταξύ τους, καθώς αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πλήρη αποφόρτιση της μπαταρίας, η αποκατάσταση της οποίας θα είναι πολύ προβληματική.
Για τον έλεγχο της εσωτερικής κατάστασης του πυρήνα, χρησιμοποιείται ένα βύσμα φόρτωσης, το οποίο συνδέεται με τους ακροδέκτες και μετρά την ονομαστική τάση στο δίκτυο. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια εκφόρτιση στην μπαταρία και η συσκευή διαβάζει δείκτες διατήρησης ρεύματος μέσα στο εξάρτημα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η μπαταρία πρέπει να είναι πλήρως φορτισμένη τη στιγμή της δοκιμής, διαφορετικά οι μετρήσεις θα είναι ανακριβείς.
Εφαρμογές μπαταριών ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές ανάλογα με τη διαμόρφωση, το σχήμα και την ονομαστική τάση τους. Η πιο κοινή χρήση των μπαταριών είναι στην αυτοκινητοβιομηχανία, κάθε όχημα έχει τη δική του πηγή ενέργειας, η οποία είναι υπεύθυνη για την εκκίνηση του αυτοκινήτου και την εκτέλεση άλλων λειτουργιών.
Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται επίσης σε φορητές συσκευές, φορητούς υπολογιστές και άλλα gadget. Ο σχεδιασμός τέτοιων μπαταριών είναι παρόμοιος με τις μπαταρίες αυτοκινήτων, η μόνη διαφορά είναι οι διαστάσεις των προϊόντων, που μπορεί να έχουν το μέγεθος ενός σπιρτόκουτου.
Πρόσφατα, έχει γίνει δημοφιλής η εισαγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου σε συστήματα αδιάλειπτης ισχύος στο σπίτι και ως πηγές ηλεκτρισμού έκτακτης ανάγκης, ενώ η μπαταρία είναι μόνιμα συνδεδεμένη στο κεντρικό δίκτυο. Ενώ οι συσκευές λειτουργούν, η μπαταρία φορτίζεται από έναν απλό σταθμό ηλεκτρικής ενέργειας και όταν απενεργοποιηθεί η τροφοδοσία, αρχίζει αυτόματα να παρέχει ρεύμα στον καταναλωτή. Σε αυτή την περίπτωση, η επαναφορτιζόμενη μπαταρία πρέπει να είναι σωστά τοποθετημένη και εφοδιασμένη με συστήματα προστασίας από υπερθέρμανση.
βίντεο
Αναρωτιέστε: «Τι να επιλέξετε: Μπαταρία Li-Ion ή Li-Po;» Θα εξηγήσουμε λεπτομερώς τις διαφορές μεταξύ αυτών των δύο τύπων μπαταριών.
Όπως όλοι γνωρίζουμε, η ισχύς ενός φορητού φορτιστή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποιότητα των μπαταριών μέσα στη συσκευή. Υπάρχουν δύο τύποι μπαταριών στην αγορά σήμερα που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή φορητών φορτιστών: κυψέλες μπαταριών Li-Ion και Li-Po.
Li-Ion ή Li-Po: Ποια είναι η διαφορά και τι να επιλέξετε
Προς ενημέρωση των χρηστών, μια από τις συχνές ερωτήσεις σχετικά με τους φορητούς φορτιστές είναι: ποια είναι η διαφορά μεταξύ των μπαταριών Li-Ion και Li-Po και επίσης ποια είναι καλύτερη. Ας το καταλάβουμε.
Τι είναι το Li-Ion και το Li-Po;
Το Li-Ion είναι συντομογραφία για το ιόν λιθίου και το Li-Po είναι συντομογραφία για το λίθιο-πολυμερές. Οι καταλήξεις "ιονικό" και "πολυμερές" είναι ένδειξη της καθόδου. Μια μπαταρία πολυμερούς λιθίου αποτελείται από μια κάθοδο πολυμερούς και έναν στερεό ηλεκτρολύτη, ενώ μια μπαταρία ιόντων λιθίου αποτελείται από άνθρακα και έναν υγρό ηλεκτρολύτη. Και οι δύο μπαταρίες είναι επαναφορτιζόμενες και στη συνέχεια, με τη μία ή την άλλη έννοια, εκτελούν και οι δύο την ίδια λειτουργία. Γενικά, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι παλαιότερες από τις μπαταρίες πολυμερών λιθίου, αλλά εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω του χαμηλού κόστους και της χαμηλής συντήρησης. Οι μπαταρίες λιθίου-πολυμερούς θεωρούνται πιο προηγμένες, με βελτιωμένα χαρακτηριστικά που παρέχουν υψηλότερο επίπεδο ασφάλειας, επομένως, τέτοιες μπαταρίες είναι πιο ακριβές από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Υπάρχουν πολλές διαμορφώσεις μπαταριών Li-Ion. Οι πιο συνηθισμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου για φορητούς φορτιστές είναι οι μπαταρίες 18650 με διάμετρο 18 mm και μήκος 65 mm, στις οποίες το 0 υποδηλώνει μια κυλινδρική διαμόρφωση. Περισσότερο από το 60% των φορητών φορτιστών είναι κατασκευασμένα από 18650 μπαταρίες Το μέγεθος και το βάρος τέτοιων στοιχείων τους επιτρέπει εύκολα να χρησιμοποιηθούν σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές. Οι τεχνολογίες παραγωγής επίσης δεν μένουν ακίνητες.
Καθώς οι καταναλωτές απαιτούν όλο και περισσότερο ελαφρύτερους, μικρότερους φορητούς φορτιστές, οι περιορισμοί των μπαταριών ιόντων λιθίου γίνονται όλο και πιο εμφανείς. Έτσι, οι κατασκευαστές στρέφονται σε ελαφρύτερες, πιο επίπεδες, αρθρωτές μπαταρίες λιθίου-πολυμερούς για νέους φορητούς φορτιστές. Επιπλέον, οι μπαταρίες Li-Polymer είναι λιγότερο πιθανό να εκραγούν, επομένως οι φορητοί φορτιστές δεν χρειάζεται πλέον να έχουν ενσωματωμένο προστατευτικό στρώμα, ενώ οι περισσότερες μπαταρίες Li-ion 18650 χρειάζεται μόνο να διαθέτουν προστατευτικό στρώμα.
Ας συνοψίσουμε τις διαφορές μεταξύ ιόντων λιθίου και πολυμερούς λιθίου με τη μορφή πίνακα.
| Βασικά χαρακτηριστικά | Li-Ion | Li-Po |
| Ενεργειακή πυκνότητα | Υψηλός | Χαμηλό, με λιγότερους κύκλους σε σύγκριση με Li-Ion |
| Ευστροφία | Χαμηλός | Υψηλό, οι κατασκευαστές δεν είναι συνδεδεμένοι με την τυπική μορφή κυψέλης |
| Βάρος | Λίγο πιο βαρύ | Πνεύμονες |
| Χωρητικότητα | Παρακάτω | Ο ίδιος όγκος μπαταρίας Li-Po είναι σχεδόν διπλάσιος από το Li-Ion |
| Κύκλος ζωής | Μεγάλο | Μεγάλο |
| Κίνδυνος έκρηξης | Πιο ψηλά | Η βελτιωμένη ασφάλεια μειώνει τον κίνδυνο υπερφόρτισης καθώς και διαρροής ηλεκτρολυτών |
| Χρόνος φόρτισης | Λίγο περισσότερο | κοντύτερος |
| Φορησιμότητα | Χάνει λιγότερο από 0,1% της αποτελεσματικότητάς του κάθε μήνα | Πιο αργή από τις μπαταρίες Li-Ion |
| Τιμή | Πιο φθηνα | Πιο ακριβό |
Αφού μελετήσετε όλα τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα και τα χαρακτηριστικά των δύο τύπων μπαταριών, μπορείτε να είστε σίγουροι ότι δεν υπάρχει ισχυρός ανταγωνισμός μεταξύ τους. Αν και η μπαταρία ιόντων λιθίου είναι πιο λεπτή και κομψή, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και είναι πολύ φθηνότερες στην παραγωγή.
Επομένως, δεν πρέπει να δίνετε μεγάλη σημασία στον τύπο της μπαταρίας, απλά επιλέξτε έναν επώνυμο φορητό φορτιστή που να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις σας. Άλλωστε, σε αυτές τις μπαταρίες προστίθενται πολλές χημικές ουσίες, οπότε μένει να δούμε ποιες θα διαρκέσουν περισσότερο.
Στα σύγχρονα κινητά τηλέφωνα, κάμερες και άλλες συσκευές, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται συχνότερα, αντικαθιστώντας τις αλκαλικές μπαταρίες και τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου, από τις οποίες υπερτερούν από πολλές απόψεις. Οι μπαταρίες με άνοδο λιθίου εμφανίστηκαν για πρώτη φορά στη δεκαετία του '70 του προηγούμενου αιώνα και έγιναν αμέσως πολύ δημοφιλείς λόγω της υψηλής τάσης και της ενεργειακής τους έντασης.
Ιστορία εμφάνισης
Οι εξελίξεις ήταν βραχύβιες, αλλά σε πρακτικό επίπεδο προέκυψαν δυσκολίες που επιλύθηκαν μόλις στη δεκαετία του '90 του περασμένου αιώνα. Λόγω της υψηλής δραστηριότητας του λιθίου, σημειώθηκαν χημικές διεργασίες στο εσωτερικό του στοιχείου, οι οποίες οδήγησαν σε πυρκαγιά.
Στις αρχές της δεκαετίας του '90, συνέβησαν πολλά ατυχήματα - οι χρήστες τηλεφώνου, ενώ μιλούσαν, έλαβαν σοβαρά εγκαύματα ως αποτέλεσμα της αυθόρμητης ανάφλεξης των στοιχείων και στη συνέχεια των ίδιων των συσκευών επικοινωνίας. Από αυτή την άποψη, οι μπαταρίες διακόπηκαν πλήρως και οι μπαταρίες που είχαν κυκλοφορήσει προηγουμένως επιστράφηκαν από την πώληση.
Οι σύγχρονες μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν χρησιμοποιούν καθαρό μέταλλο, παρά μόνο ιονισμένες ενώσεις του, καθώς είναι πιο σταθερές. Δυστυχώς, οι επιστήμονες έπρεπε να μειώσουν σημαντικά τις δυνατότητες της μπαταρίας, αλλά κατάφεραν να επιτύχουν το κύριο πράγμα - οι άνθρωποι δεν υπέφεραν πλέον από εγκαύματα.
Το κρυσταλλικό πλέγμα διαφόρων ενώσεων άνθρακα βρέθηκε ότι είναι κατάλληλο για την παρεμβολή ιόντων λιθίου στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Κατά τη φόρτιση, μετακινούνται από την άνοδο στην κάθοδο και κατά την εκφόρτιση, το αντίστροφο.
Αρχή λειτουργίας και ποικιλίες
Σε κάθε μπαταρία ιόντων λιθίου, η βάση του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι ουσίες που περιέχουν άνθρακα, η δομή των οποίων μπορεί να παραγγελθεί ή να παραγγελθεί μερικώς. Ανάλογα με το υλικό, η διαδικασία παρεμβολής του Li σε C ποικίλλει. Το θετικό ηλεκτρόδιο αποτελείται κυρίως από επιμεταλλωμένο νικέλιο ή οξείδιο του κοβαλτίου.
Συνοψίζοντας όλες τις αντιδράσεις, μπορούν να αναπαρασταθούν στις ακόλουθες εξισώσεις:
- LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe - για την κάθοδο.
- C + xLi+ + xe → CLix - για την άνοδο.
Οι εξισώσεις παρουσιάζονται για την περίπτωση εκφόρτισης κατά τη διάρκεια της φόρτισης ρέουν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Οι επιστήμονες διεξάγουν έρευνα σε νέα υλικά που αποτελούνται από ανάμεικτα φωσφορικά άλατα και οξείδια. Αυτά τα υλικά σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθούν για την κάθοδο.
Υπάρχουν δύο τύποι μπαταριών Li-Ion:
- κυλινδρικός;
- πρισματικός.
Η κύρια διαφορά είναι η θέση των πλακών (σε πρισματικά - το ένα πάνω στο άλλο). Το μέγεθος της μπαταρίας λιθίου εξαρτάται από αυτό. Κατά κανόνα, τα πρισματικά είναι πιο πυκνά και πιο συμπαγή.
Επιπλέον, υπάρχει ένα σύστημα ασφαλείας στο εσωτερικό - ένας μηχανισμός που, όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνει την αντίσταση και όταν αυξάνεται η πίεση, σπάει το κύκλωμα ανόδου-καθόδου. Χάρη στην ηλεκτρονική πλακέτα, το βραχυκύκλωμα καθίσταται αδύνατο, αφού ελέγχει τις διαδικασίες μέσα στην μπαταρία.
Τα ηλεκτρόδια αντίθετης πολικότητας διαχωρίζονται με διαχωριστή. Η θήκη πρέπει να είναι σφραγισμένη.
Από διαφορετικούς κατασκευαστές, μια μπαταρία λιθίου μπορεί να φαίνεται εντελώς διαφορετική, δεν υπάρχει ομοιόμορφο σχήμα προϊόντος. Η αναλογία των ενεργών μαζών της ανόδου προς την κάθοδο πρέπει να είναι περίπου 1:1, διαφορετικά είναι δυνατός ο σχηματισμός μετάλλου λιθίου, που θα οδηγήσει σε πυρκαγιά.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Οι μπαταρίες έχουν εξαιρετικές παραμέτρους που διαφέρουν μεταξύ διαφορετικών κατασκευαστών. Η ονομαστική τάση είναι 3,7−3,8 V με μέγιστο 4,4 V. Η ενεργειακή πυκνότητα (ένας από τους κύριους δείκτες) είναι 110−230 Wh/kg.
Η εσωτερική αντίσταση κυμαίνεται από 5 έως 15 mOhm/1Ah. Η διάρκεια ζωής με βάση τον αριθμό των κύκλων (εκφόρτιση/φόρτιση) είναι 1000−5000 μονάδες. Ο χρόνος γρήγορης φόρτισης είναι 15−60 λεπτά. Ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα είναι η αργή διαδικασία αυτοεκφόρτισης (μόνο 10-20% ετησίως, εκ των οποίων το 3-6% τον πρώτο μήνα). Το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας είναι 0 C - +65 C σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν, η φόρτιση είναι αδύνατη.
Η φόρτιση πραγματοποιείται σε διάφορα στάδια:
- μέχρι ένα ορισμένο σημείο ρέει το μέγιστο ρεύμα φόρτισης.
- όταν επιτευχθούν οι παράμετροι λειτουργίας, το ρεύμα μειώνεται σταδιακά στο 3% της μέγιστης τιμής.
Κατά την αποθήκευση, απαιτείται περιοδική επαναφόρτιση περίπου κάθε 500 ώρες για να αντισταθμιστεί η αυτοεκφόρτιση. Κατά την υπερφόρτιση, μπορεί να εναποτεθεί μέταλλο λίθιο, το οποίο, αλληλεπιδρώντας με τον ηλεκτρολύτη, σχηματίζει οξυγόνο. Αυτό αυξάνει τον κίνδυνο αποσυμπίεσης λόγω αυξημένης εσωτερικής πίεσης.
Η συχνή επαναφόρτιση μειώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Επιπλέον, επηρεάζεται το περιβάλλον, η θερμοκρασία, το ρεύμα κ.λπ.
Το στοιχείο έχει μειονεκτήματα, μεταξύ των οποίων είναι τα ακόλουθα:
όροι χρήσης
Είναι καλύτερο να αποθηκεύετε την μπαταρία υπό τις ακόλουθες συνθήκες: Η φόρτιση πρέπει να είναι τουλάχιστον 40%, και η θερμοκρασία δεν πρέπει να είναι πολύ χαμηλή ή υψηλή. Η καλύτερη επιλογή είναι η περιοχή από 0C έως +10C. Συνήθως, περίπου το 4% της χωρητικότητας χάνεται μέσα σε 2 χρόνια, γι' αυτό και δεν συνιστάται η αγορά μπαταριών από παλαιότερες ημερομηνίες κατασκευής.
Οι επιστήμονες έχουν εφεύρει έναν τρόπο για να αυξήσουν τη διάρκεια ζωής. Ένα κατάλληλο συντηρητικό προστίθεται στον ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, τέτοιες μπαταρίες θα πρέπει να «εκπαιδεύονται» με τη μορφή 2-3 πλήρεις κύκλων εκφόρτισης/φόρτισης, ώστε στη συνέχεια να μπορούν να λειτουργούν κανονικά. Διαφορετικά, μπορεί να εμφανιστεί ένα «φαινόμενο μνήμης» και επακόλουθη διόγκωση ολόκληρης της δομής. Όταν χρησιμοποιείται σωστά και ακολουθεί όλα τα πρότυπα αποθήκευσης, η μπαταρία μπορεί να διαρκέσει πολύ, ενώ η χωρητικότητά της θα παραμείνει σε υψηλό επίπεδο.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν είναι τόσο λεπτές όσο οι αντίστοιχες μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου, αλλά εξακολουθούν να απαιτούν λίγη προσοχή. Κολλώντας σε πέντε απλούς κανόνες, μπορείτε όχι μόνο να παρατείνετε τον κύκλο ζωής των μπαταριών ιόντων λιθίου, αλλά και να αυξήσετε τον χρόνο λειτουργίας των κινητών συσκευών χωρίς επαναφόρτιση.
Μην αφήνετε την πλήρη αποφόρτιση.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν έχουν το λεγόμενο φαινόμενο μνήμης, επομένως μπορούν και, επιπλέον, πρέπει να φορτιστούν χωρίς να περιμένουν να αποφορτιστούν στο μηδέν. Πολλοί κατασκευαστές υπολογίζουν τη διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου με τον αριθμό των κύκλων πλήρους εκφόρτισης (έως 0%). Για ποιοτικές μπαταρίες αυτό 400-600 κύκλοι. Για να παρατείνετε τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας ιόντων λιθίου, φορτίζετε το τηλέφωνό σας πιο συχνά. Βέλτιστα, μόλις η φόρτιση της μπαταρίας πέσει κάτω από 10-20 τοις εκατό, μπορείτε να φορτίσετε το τηλέφωνο. Αυτό θα αυξήσει τον αριθμό των κύκλων εκφόρτισης σε 1000-1100
.
Οι ειδικοί περιγράφουν αυτή τη διαδικασία με έναν τέτοιο δείκτη όπως το Βάθος Εκκένωσης. Εάν το τηλέφωνό σας είναι αποφορτισμένο στο 20%, τότε το Βάθος εκφόρτισης είναι 80%. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει την εξάρτηση του αριθμού των κύκλων εκφόρτισης μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου από το Βάθος Εκφόρτισης:
Εξιτήριο μία φορά κάθε 3 μήνες.Η πλήρης φόρτιση για μεγάλο χρονικό διάστημα είναι εξίσου επιβλαβής για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου με τη συνεχή αποφόρτιση στο μηδέν.
Λόγω της εξαιρετικά ασταθούς διαδικασίας φόρτισης (συχνά φορτίζουμε το τηλέφωνο όπως χρειάζεται, και όπου είναι δυνατόν, από USB, από πρίζα, από εξωτερική μπαταρία κ.λπ.), οι ειδικοί συνιστούν την πλήρη αποφόρτιση της μπαταρίας μία φορά κάθε 3 μήνες και στη συνέχεια τη φόρτισή της στο 100% και κρατήστε το στη φόρτιση 8-12 ώρες. Αυτό βοηθά στην επαναφορά των λεγόμενων σημαιών υψηλής και χαμηλής μπαταρίας. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτό.
Αποθηκεύστε μερικώς φορτισμένο. Η βέλτιστη συνθήκη για μακροχρόνια αποθήκευση μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι μεταξύ 30 και 50 τοις εκατό φόρτιση στους 15°C. Εάν αφήσετε την μπαταρία πλήρως φορτισμένη, η χωρητικότητά της θα μειωθεί σημαντικά με την πάροδο του χρόνου. Αλλά η μπαταρία, η οποία συλλέγει σκόνη σε ένα ράφι για μεγάλο χρονικό διάστημα, αποφορτισμένη στο μηδέν, πιθανότατα δεν είναι πλέον ζωντανή - ήρθε η ώρα να την στείλετε για ανακύκλωση.
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει πόση χωρητικότητα παραμένει σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου ανάλογα με τη θερμοκρασία αποθήκευσης και το επίπεδο φόρτισης όταν αποθηκεύεται για 1 έτος. 
Χρησιμοποιήστε τον αρχικό φορτιστή.Λίγοι γνωρίζουν ότι στις περισσότερες περιπτώσεις ο φορτιστής είναι ενσωματωμένος απευθείας σε κινητές συσκευές και ο εξωτερικός προσαρμογέας δικτύου μειώνει μόνο την τάση και διορθώνει το ρεύμα του οικιακού ηλεκτρικού δικτύου, δηλαδή δεν επηρεάζει άμεσα την μπαταρία. Ορισμένα gadget, όπως οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, δεν διαθέτουν ενσωματωμένο φορτιστή και επομένως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου τους τοποθετούνται σε έναν εξωτερικό «φορτιστή». Εδώ είναι που η χρήση ενός εξωτερικού φορτιστή αμφιβόλου ποιότητας αντί του αρχικού μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την απόδοση της μπαταρίας.
Αποφύγετε την υπερθέρμανση.Λοιπόν, ο χειρότερος εχθρός των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι η υψηλή θερμοκρασία - δεν μπορούν απολύτως να ανεχθούν την υπερθέρμανση. Επομένως, μην εκθέτετε τις φορητές συσκευές σας στο άμεσο ηλιακό φως και μην τις τοποθετείτε κοντά σε πηγές θερμότητας, όπως ηλεκτρικές θερμάστρες. Οι μέγιστες επιτρεπόμενες θερμοκρασίες στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι: από -40°C έως +50°C
Επίσης, μπορείτε να κοιτάξετε
