Astăzi, bateriile speciale sunt folosite pentru dispozitive mobile, electrocasnice și unelte. Ele diferă în ceea ce privește caracteristicile de performanță. Pentru ca bateria să funcționeze mult timp, fără defecțiuni, trebuie să țineți cont de cerințele producătorilor produselor prezentate.

Unul dintre cele mai populare tipuri de astăzi sunt bateriile Li-Ion. Cum să încărcați corect acest tip de baterie, precum și caracteristicile funcționării acestuia, trebuie luate în considerare în detaliu înainte de a utiliza dispozitivul.

caracteristici generale

Unul dintre cele mai comune tipuri de baterii astăzi este tipul Li-Ion. Astfel de dispozitive au un cost relativ scăzut. În același timp, nu sunt pretențioși la condițiile de funcționare. În acest caz, utilizatorul are rareori întrebări despre cum să încarce corect o baterie cilindrică Li-Ion 18650 sau un alt tip.

Cel mai adesea, bateriile prezentate sunt instalate pe smartphone-uri, laptopuri, tablete și alte dispozitive similare. Bateriile prezentate se caracterizează prin durabilitate și fiabilitate. Nu le este frică de descărcarea completă.

Una dintre principalele caracteristici ale produselor prezentate este absența unui „efect de memorie”. Aceste baterii pot fi încărcate aproape în orice moment convenabil. „Efectul de memorie” apare atunci când bateria nu este complet descărcată. Dacă rămâne o cantitate mică de încărcare, capacitatea bateriei va începe să scadă în timp. Acest lucru va duce la o alimentare insuficientă pentru echipament. În bateriile litiu-ion, „efectul de memorie” este minimizat.

Proiecta

Designul unei baterii litiu-ion depinde de tipul de dispozitiv pentru care este destinat. Un telefon mobil folosește o baterie numită „borcan”. Are o formă dreptunghiulară și include un element structural. Tensiunea sa nominală este de 3,7 V.

Tipul de baterie prezentat pentru un laptop are un design complet diferit. Pot exista mai multe celule individuale de baterie în el (2-12 bucăți). Fiecare dintre ele are o formă cilindrică. Acestea sunt baterii Li-Ion 18650 Producătorul echipamentului indică în detaliu cum să le încărcați corect. Acest design include un controler special. Arată ca un microcircuit. Controlerul controlează procedura de încărcare și nu permite depășirea capacității nominale a bateriei.

Bateriile moderne pentru tablete și smartphone-uri oferă și o funcție de control al încărcării. Acest lucru prelungește semnificativ durata de viață a bateriei. Este protejat de diferiți factori adversi.

Caracteristici de încărcare

Când vă gândiți la modul în care să încărcați corect bateriile Li-Ion ale unui telefon, laptop și alte echipamente, trebuie să acordați atenție caracteristicilor de operare ale dispozitivului prezentat. Trebuie spus că bateriile litiu-ion nu tolerează descărcarea profundă și supraîncărcarea. Acest lucru este controlat de un dispozitiv special care este adăugat la design (controler).

Este ideal pentru a menține încărcarea tipului de baterie prezentat la un nivel de la 20 la 80% din capacitatea maximă. Controlerul monitorizează acest lucru. Cu toate acestea, experții nu recomandă să lăsați dispozitivul conectat la încărcare tot timpul. Acest lucru reduce semnificativ durata de viață a bateriei. În acest caz, controlerul este supus unei sarcini constante. În timp, funcționalitatea sa poate scădea din această cauză.

În același timp, controlerul nu va permite nici descărcarea profundă. Pur și simplu va opri bateria la un moment dat. Această funcție de protecție este extrem de necesară. În caz contrar, utilizatorul ar putea supraîncărca sau descărca în mod accidental bateria. Bateriile moderne oferă, de asemenea, protecție de înaltă calitate împotriva supraîncălzirii.

Principiul de funcționare a bateriei

Pentru a înțelege cum să încărcați corect o baterie Li-Ion (nouă sau folosită), trebuie să luați în considerare principiul funcționării acesteia. Acest lucru vă va permite să evaluați necesitatea de a monitoriza nivelul de descărcare și încărcare a dispozitivului.

Ionii de litiu dintr-o baterie de acest tip se deplasează de la un electrod la altul. În acest caz, apare un curent electric. Electrozii pot fi fabricați din diferite materiale. Acest indicator are un impact mai mic asupra caracteristicilor de performanță ale dispozitivului.

Ionii de litiu cresc pe rețeaua cristalină a electrozilor. Acestea din urmă, la rândul lor, își schimbă volumul și compoziția. Când bateria este încărcată sau descărcată, există mai mulți ioni pe unul dintre electrozi. Cu cât este mai mare sarcina pe elementele structurale metalice pe care litiul le plasează, cu atât durata de viață a dispozitivului va fi mai scurtă. Prin urmare, este mai bine să nu permiteți unui procent mare de ioni să se depună pe unul sau altul electrod.

Opțiuni de încărcare

Înainte de a utiliza bateria, trebuie să luați în considerare cum să încărcați corect bateria Li-Ion a unui smartphone, tabletă și alte echipamente. Există mai multe moduri de a face acest lucru.

Una dintre cele mai corecte soluții ar fi folosirea unui încărcător. Este furnizat complet cu echipament electronic de către fiecare producător.

A doua opțiune este să încărcați bateria de la un computer desktop conectat la o rețea casnică. Pentru aceasta este folosit un cablu USB. În acest caz, procedura de încărcare va dura mai mult decât atunci când utilizați prima metodă.

Puteți efectua această procedură folosind bricheta din mașină. O altă metodă mai puțin populară este încărcarea unei baterii litiu-ion folosind un dispozitiv universal. Se mai numește și „broasca”. Cel mai adesea, astfel de dispozitive sunt folosite pentru a reîncărca bateriile smartphone-urilor. Contactele acestui dispozitiv pot fi reglate în lățime.

Încărcarea unei baterii noi

Noua baterie trebuie pusă în funcțiune corect. Pentru a face acest lucru, telefonul, tableta sau alte echipamente trebuie să fie complet descărcate. Numai când dispozitivul se oprește poate fi conectat la rețea. Controlerul va împiedica descărcarea prea mare a bateriei. El este cel care oprește dispozitivul atunci când bateria își pierde capacitatea la un nivel prestabilit.

Apoi, trebuie să conectați echipamentul electric la rețea folosind un încărcător standard. Procedura se efectuează până când indicatorul se aprinde în verde. Puteți lăsa dispozitivul online pentru încă câteva ore. Această procedură se efectuează de mai multe ori. Nu este nevoie să vă descărcați în mod specific telefonul, tableta sau laptopul.

Încărcare normală

Știind cum să încărcați corect bateriile Li-Ion poate prelungi semnificativ durata de viață a bateriei. Experții recomandă să urmați procedura corectă pentru acest proces pentru o baterie nouă. După aceasta, nu este recomandabil să descărcați complet bateria. Când indicatorul arată că capacitatea bateriei este încărcată doar cu 14-15%, aceasta trebuie conectată la rețea.

În același timp, nu este recomandat să folosiți alte dispozitive decât cel standard pentru a umple capacitatea bateriei. Are valorile de curent maxim acceptabile permise pentru un anumit model de baterie. Alte opțiuni ar trebui folosite numai dacă este absolut necesar.

Calibrare

Mai există o nuanță pe care trebuie să o cunoașteți atunci când studiați întrebarea cum să încărcați corect bateriile Li-Ion. Experții recomandă calibrarea periodică a acestui dispozitiv. Are loc o dată la trei luni.

În primul rând, în modul normal, trebuie să descărcați echipamentul electric înainte de a-l opri. Apoi este conectat la rețea. Încărcarea continuă până când indicatorul devine verde (bateria este încărcată 100%). Această procedură trebuie urmată pentru ca controlerul să funcționeze corect.

Atunci când se efectuează o astfel de procedură, placa de circuit a bateriei determină limitele de încărcare și descărcare. Acest lucru este necesar pentru a asigura funcționarea normală a controlerului și pentru a evita defecțiunile. În acest caz, se folosește un încărcător standard, care este furnizat de producător împreună cu telefonul, tableta sau laptopul.

Depozitare

Pentru ca bateria să funcționeze cât mai mult și eficient posibil, trebuie să luați în considerare și întrebarea cum să încărcați corect o baterie Li-Ion pentru depozitare. În unele cazuri, poate apărea o situație când dispozitivul pentru alimentarea echipamentelor nu este temporar utilizat. În acest caz, trebuie să fie pregătit corespunzător pentru depozitare.

Bateria este încărcată la 50%. În această stare, poate fi păstrat destul de mult timp. Cu toate acestea, temperatura mediului ambiant ar trebui să fie în jur de 15 ºC. Dacă crește, rata la care bateria își pierde capacitatea va crește.

Dacă bateria trebuie păstrată pentru o perioadă suficient de lungă, aceasta trebuie să fie complet descărcată și încărcată o dată pe lună. Bateria atinge 100% din capacitatea specificată. Apoi dispozitivul este descărcat din nou și încărcat la 50%. Dacă această procedură este efectuată în mod regulat, bateria poate fi depozitată pentru o perioadă foarte lungă de timp. După aceasta, va fi pe deplin utilizabil.

Luând în considerare modul în care să încărcați corect bateriile Li-Ion, puteți prelungi semnificativ durata de viață a acestui tip de baterie.

Astăzi, bateriile litiu-ion sunt cel mai des folosite în diverse domenii. Ele sunt utilizate pe scară largă în electronice mobile (PDA-uri, telefoane mobile, laptopuri și multe altele), vehicule electrice și așa mai departe. Acest lucru se datorează avantajelor lor față de bateriile nichel-cadmiu (Ni-Cd) și nichel-hidrură metalică (Ni-MH) utilizate pe scară largă anterior. Și dacă acestea din urmă s-au apropiat de limita lor teoretică, atunci tehnologia bateriilor litiu-ion este la începutul călătoriei sale.

Dispozitiv

În bateriile litiu-ion, aluminiul servește ca electrod negativ (catod), iar cuprul acționează ca electrod pozitiv (anod). Electrozii pot fi fabricați în diferite forme, totuși, de regulă, sunt folii sub forma unui pachet alungit sau a unui cilindru.

• Materialul anodic de pe folia de cupru și materialul catodic de pe folia de aluminiu sunt separate printr-un separator poros, care este impregnat cu un electrolit.
• Pachetul cu electrozi este instalat într-o carcasă etanșă, iar anozii și catozii sunt conectați la bornele colectorului de curent.
• Sub capacul bateriei pot exista dispozitive speciale. Un dispozitiv răspunde prin creșterea rezistenței la un coeficient de temperatură pozitiv. Al doilea dispozitiv întrerupe conexiunea electrică dintre borna pozitivă și catod atunci când presiunea gazului din baterie crește peste limita admisă. În unele cazuri, carcasa este echipată cu o supapă de siguranță care eliberează presiunea internă în cazul încălcării condițiilor de funcționare sau a situațiilor de urgență.
• Pentru a crește siguranța în funcționare, o serie de baterii utilizează și protecție electronică externă. Previne posibilitatea de încălzire excesivă, scurtcircuitarea și supraîncărcarea bateriei.
• Din punct de vedere structural, bateriile sunt produse în versiuni prismatice și cilindrice. Un pachet rulat de separator și electrozi în baterii cilindrice este plasat într-o carcasă din aluminiu sau oțel, la care este conectat electrodul negativ. Polul pozitiv al bateriei este scos prin izolator la capac. Bateriile prismatice sunt create prin stivuirea plăcilor dreptunghiulare una peste alta.

Aceste tipuri de baterii litiu-ion permit un ambalaj mai strâns, dar sunt mai dificil de menținut forțele de compresie asupra electrozilor decât bateriile cilindrice. Un număr de baterii prismatice utilizează un ansamblu de rolă dintr-un pachet de electrozi răsuciți într-o spirală eliptică.

Majoritatea bateriilor sunt produse în versiuni prismatice, deoarece scopul lor principal este asigurarea funcționării laptopurilor și telefoanelor mobile. Designul bateriilor Li-ion este complet sigilat. Această cerință este dictată de inadmisibilitatea scurgerii de electrolit lichid. Dacă intră vapori de apă sau oxigen, are loc o reacție cu electrolitul și materialele electrodului, ceea ce duce la defectarea completă a bateriei.

Principiul de funcționare

• Bateriile litiu-ion au doi electrozi sub formă de anod și catod, cu un electrolit între ei. La anod, atunci când o baterie este conectată într-un circuit închis, se formează o reacție chimică, care duce la formarea de electroni liberi.
• Acești electroni tind să ajungă la catod, unde concentrația lor este mai mică. Cu toate acestea, ceea ce îi împiedică să meargă direct la catod de la anod este electrolitul, care este situat între electrozi. Singura cale rămasă este prin circuitul în care bateria este închisă. În acest caz, electronii, care se deplasează de-a lungul circuitului specificat, alimentează dispozitivul cu energie.
• Ionii de litiu încărcați pozitiv, care au fost lăsați în urmă de electronii evadați, sunt în același timp direcționați prin electrolit către catod pentru a satisface cererea de electroni pe partea catodului.
• După ce toți electronii se mută la catod, are loc „moartea” bateriei. Dar bateria litiu-ion este reîncărcabilă, ceea ce înseamnă că procesul poate fi inversat.

Folosind un încărcător, puteți introduce energie în circuit, pornind astfel reacția în direcția opusă. Rezultatul va fi o acumulare de electroni pe anod. Odată ce o baterie a fost reîncărcată, aceasta va rămâne astfel în cea mai mare parte până când este activată. Cu toate acestea, în timp, bateria își va pierde o parte din încărcare chiar și în modul de așteptare.

• Capacitatea bateriei se referă la numărul de ioni de litiu care se pot încorpora în cratere și porii minusculi ai anodului sau catodului. În timp, după numeroase reîncărcări, catodul și anodul se degradează. Ca urmare, numărul de ioni pe care îi pot găzdui scade. În acest caz, bateria nu mai poate păstra aceeași cantitate de încărcare. În cele din urmă, își pierde complet funcțiile.

Bateriile litiu-ion sunt proiectate astfel încât încărcarea lor să fie monitorizată constant. În acest scop, în carcasă este instalată o placă specială, numită controler de încărcare. Cipul de pe placă controlează procesul de încărcare a bateriei.

Încărcarea standard a bateriei arată astfel:

• La începutul procesului de încărcare, controlerul furnizează un curent de 10% din curentul nominal. În acest moment, tensiunea crește la 2,8 V.
• Apoi curentul de încărcare crește la cel nominal. În această perioadă, tensiunea continuă crește la 4,2 V.
• La sfârșitul procesului de încărcare, curentul scade la o tensiune constantă de 4,2 V până când bateria este încărcată 100%.

Stadiul poate diferi din cauza utilizării diferitelor controlere, ceea ce duce la viteze de încărcare diferite și, în consecință, la costul total al bateriei. Bateriile litiu-ion pot fi fără protecție, adică controlerul este amplasat în încărcător, sau cu protecție încorporată, adică controlerul este situat în interiorul bateriei. Pot exista dispozitive în care placa de protecție este încorporată direct în baterie.

Soiuri și aplicații

Există doi factori de formă ai bateriilor litiu-ion:

1. Baterii cilindrice litiu-ion.
2. Baterii litiu-ion pentru tablete.

Diferitele subtipuri ale sistemului electrochimic litiu-ion sunt denumite în funcție de tipul de substanță activă utilizată. Ceea ce au în comun toate aceste baterii litiu-ion este că toate sunt baterii sigilate, fără întreținere.

Există 6 tipuri cele mai comune de baterii litiu-ion:

1. Baterie litiu-cobalt . Este o soluție populară pentru camerele digitale, laptopuri și telefoane mobile datorită consumului specific ridicat de energie. Bateria este formată dintr-un catod de oxid de cobalt și un anod de grafit. Dezavantajele bateriilor cu litiu-cobalt: capacitate de încărcare limitată, stabilitate termică slabă și durată de viață relativ scurtă.

Domenii de utilizare ; electronice mobile.

1. Baterie litiu mangan . Catodul spinel cristalin litiu mangan are o structură cadru tridimensională. Spinelul oferă rezistență scăzută, dar are o densitate energetică mai moderată decât cobaltul.

Domenii de utilizare; unități electrice, echipamente medicale, scule electrice.

1. Baterie litiu nichel mangan cobalt oxid . Catodul bateriei combină cobaltul, manganul și nichelul. Nichelul este renumit pentru intensitatea sa ridicată de energie specifică, dar stabilitatea scăzută. Manganul oferă rezistență internă scăzută, dar are ca rezultat o densitate energetică scăzută. Combinația de metale vă permite să le compensați dezavantajele și să le folosiți punctele forte.

Domenii de utilizare; pentru uz privat și industrial (sisteme de securitate, centrale solare, iluminat de urgență, telecomunicații, vehicule electrice, biciclete electrice și așa mai departe).

1. Baterie litiu fosfat de fier . Principalele sale avantaje sunt: ​​durată lungă de viață, curent nominal ridicat, rezistență la utilizare greșită, siguranță sporită și stabilitate termică bună. Cu toate acestea, această baterie are o capacitate mică.

Domenii de aplicare: dispozitive specializate staționare și portabile unde sunt necesare rezistență și curenți mari de sarcină.

1. Baterie litiu nichel cobalt oxid de aluminiu . Principalele sale avantaje: densitate mare de energie și intensitate energetică, durabilitate. Cu toate acestea, istoricul său de siguranță și costul ridicat îi limitează utilizarea.

Domenii de utilizare; motopropulsoare electrice, echipamente industriale și medicale.

1. Baterie cu titanat de litiu . Principalele sale avantaje: încărcare rapidă, durată lungă de viață, gamă largă de temperatură, performanță excelentă și siguranță. Aceasta este cea mai sigură baterie litiu-ion disponibilă.

Cu toate acestea, are un cost ridicat și o intensitate energetică specifică scăzută. În prezent, sunt în curs de dezvoltare pentru a reduce costul de producție și a crește intensitatea energetică specifică.

Domenii de utilizare; stradă, unități electrice de mașini (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), UPS.

Caracteristici tipice

În general, bateriile litiu-ion au următoarele caracteristici tipice:

• Tensiunea minimă nu este mai mică de 2,2-2,5V.
• Tensiunea maximă nu este mai mare de 4,25-4,35 V.
• Timp de încărcare: 2-4 ore.
• Autodescărcarea la temperatura camerei este de aproximativ 7% pe an.
• Interval de temperatură de funcționare de la -20 °C la +60 °C.
• Numărul de cicluri de încărcare/descărcare până la atingerea unei pierderi de 20% din capacitate este de 500-1000.

Avantaje și dezavantaje

Avantajele includ:

• Densitate mare de energie în comparație cu bateriile alcaline care utilizează nichel.
• Tensiunea unei celule a bateriei este destul de mare.
• Nu există „efect de memorie”, care asigură o operare simplă.
• Un număr semnificativ de cicluri de încărcare-descărcare.
• Durată lungă de viață.
• Gamă largă de temperatură pentru performanță constantă.
• Siguranța relativă a mediului.

Printre dezavantaje se numără:

• Curent de descărcare moderat.
• Îmbătrânire relativ rapidă.
• Cost relativ ridicat.
• Imposibilitatea de a lucra fără controler încorporat.
• Posibilitatea de ardere spontană la sarcini mari și descărcare prea adâncă.
• Designul necesită îmbunătățiri semnificative, deoarece nu este perfecționat.

Funcționarea, încărcarea, avantajele și dezavantajele bateriilor cu litiu

Mulți oameni folosesc astăzi dispozitive electronice în viața de zi cu zi. Telefoane mobile, tablete, laptopuri... Toată lumea știe ce sunt. Dar puțini oameni știu că elementul cheie al acestor dispozitive este bateria cu litiu. Aproape fiecare dispozitiv mobil este echipat cu acest tip de baterie. Astăzi vom vorbi despre bateriile cu litiu. Aceste baterii și tehnologia lor de producție sunt în continuă evoluție. Actualizări semnificative de tehnologie au loc la fiecare 1-2 ani. Ne vom uita la principiul general de funcționare al bateriilor cu litiu, iar soiurilor vor fi dedicate materiale separate. Mai jos vom discuta istoricul, funcționarea, stocarea, avantajele și dezavantajele bateriilor cu litiu.

Cercetările în această direcție au fost efectuate la începutul secolului al XX-lea. „Primele rândunele” din familia bateriilor cu litiu au apărut la începutul anilor șaptezeci ai secolului trecut. Anodul acestor baterii a fost realizat din litiu. Au devenit rapid solicitate datorită energiei specifice ridicate. Datorită prezenței litiului, un agent reducător foarte activ, dezvoltatorii au reușit să crească foarte mult tensiunea nominală și energia specifică a elementului. Dezvoltarea, testarea ulterioară și reglarea fină a tehnologiei au durat aproximativ două decenii.

În acest timp, problemele au fost rezolvate în principal cu siguranța utilizării bateriilor cu litiu, selecția materialelor etc. Celulele secundare cu litiu cu electroliți aprotici și varietatea cu catod solid sunt similare în procesele electrochimice care au loc în ele. În special, dizolvarea anodică a litiului are loc la electrodul negativ. Litiul este introdus în rețeaua cristalină a electrodului pozitiv. Când celula bateriei este încărcată, procesele de pe electrozi merg în direcția opusă.

Materialele pentru electrodul pozitiv au fost dezvoltate destul de repede. Principala cerință pentru ei a fost ca să sufere procese reversibile.

Vorbim despre extractia anodica si introducerea catodica. Aceste procese sunt numite și deintercalare anodică și intercalare catodă. Cercetătorii au testat diferite materiale ca catod.

Cerința era ca în timpul mersului cu bicicleta să nu existe modificări. În special, au fost studiate următoarele materiale:

• TiS2 (disulfură de titan);
• Nb(Se)n (seleniră de niob);
• sulfuri și diselenide de vanadiu;
• sulfuri de cupru si fier.

Toate materialele enumerate au o structură stratificată. S-au efectuat cercetări și cu materiale de compoziții mai complexe. În acest scop, aditivii anumitor metale au fost folosiți în cantități mici. Acestea erau elemente cu cationi cu o rază mai mare decât Li.

Caracteristicile specifice ridicate ale catodului au fost obținute folosind oxizi metalici. Diferiți oxizi au fost testați pentru performanța reversibilă, care depinde de gradul de distorsiune a rețelei cristaline a materialului oxid atunci când sunt introduși acolo cationi de litiu. S-a luat în considerare și conductibilitatea electronică a catodului. Scopul a fost să se asigure că volumul catodului se modifică cu cel mult 20 la sută. Conform cercetărilor, oxizii de vanadiu și molibden au prezentat cele mai bune rezultate.

Anodul a fost principala dificultate în crearea bateriilor cu litiu. Mai precis, în timpul procesului de încărcare, când are loc depunerea catodică de Li. Acest lucru creează o suprafață cu activitate foarte mare. Litiul se depune pe suprafața catodului sub formă de dendrite și ca urmare se formează o peliculă pasivă.

Se pare că această peliculă învelește particulele de litiu și previne contactul lor cu baza. Acest proces se numește încapsulare și are ca rezultat faptul că, după ce bateria este încărcată, o anumită parte din litiu este exclusă din procesele electrochimice.

Ca urmare, după un anumit număr de cicluri, electrozii s-au uzat și stabilitatea temperaturii proceselor din interiorul bateriei cu litiu a fost perturbată.

La un moment dat, elementul a fost încălzit până la punctul de topire al Li și reacția a intrat într-o fază necontrolată. Deci, la începutul anilor 90, multe baterii cu litiu au fost returnate întreprinderilor companiilor implicate în producția lor. Acestea au fost una dintre primele baterii care au fost folosite în telefoanele mobile. În momentul vorbirii (curentul atinge valoarea maximă) la telefon, din aceste baterii a izbucnit o flacără. Au fost multe cazuri în care fața utilizatorului a fost arsă. Formarea dendritelor în timpul depunerii de litiu, pe lângă riscul de incendiu și explozie, poate duce la un scurtcircuit.

Prin urmare, cercetătorii au petrecut mult timp și efort pentru a dezvolta o metodă de tratare a suprafeței catodice. Au fost dezvoltate metode de introducere a aditivilor în electrolit care împiedică formarea dendritelor. Oamenii de știință au făcut progrese în această direcție, dar problema nu a fost încă rezolvată complet. Ei au încercat să rezolve aceste probleme folosind litiu metalic folosind o altă metodă.

Astfel, electrodul negativ a început să fie fabricat din aliaje de litiu, și nu din Li pur. Cel mai de succes a fost aliajul de litiu și aluminiu. Când are loc procesul de descărcare, litiul este gravat din electrod dintr-un astfel de aliaj și invers în timpul încărcării. Adică, în timpul ciclului de încărcare-descărcare, concentrația de Li din aliaj se modifică. Desigur, a existat o oarecare pierdere a activității litiului în aliaj în comparație cu Li metalic.

Potențialul electrodului din aliaj a scăzut cu aproximativ 0,2-0,4 volți. Tensiunea de funcționare a bateriei cu litiu a scăzut și, în același timp, interacțiunea dintre electrolit și aliaj a scăzut. Acesta a devenit un factor pozitiv, deoarece autodescărcarea a scăzut. Dar aliajul de litiu și aluminiu nu este utilizat pe scară largă. Problema aici a fost că volumul specific al acestui aliaj s-a schimbat foarte mult în timpul ciclării. Când a avut loc o descărcare profundă, electrodul a devenit casant și s-a prăbușit. Din cauza scăderii caracteristicilor specifice ale aliajului, cercetările în această direcție au fost oprite. Au fost studiate și alte aliaje.

Cercetările au arătat că aliajul de Li cu metale grele este cea mai bună alegere. Un exemplu este aliajul de lemn. Au funcționat bine în ceea ce privește menținerea volumului specific, dar caracteristicile specifice au fost insuficiente pentru utilizarea în bateriile cu litiu.

Drept urmare, deoarece litiu-metalul este instabil, cercetările au început să meargă într-o altă direcție. S-a decis excluderea litiului pur din componentele bateriei și utilizarea ionilor acestuia. Așa au apărut bateriile litiu-ion (Li-Ion).

Densitatea de energie a bateriilor litiu-ion este mai mică decât a bateriilor cu litiu. Dar siguranța și ușurința lor de utilizare sunt mult mai mari. Puteți citi mai multe despre el la link-ul dat.

Funcționare și durată de viață

Exploatare

Regulile de funcționare vor fi discutate folosind exemplul bateriilor obișnuite cu litiu care sunt utilizate în dispozitivele mobile (telefoane, tablete, laptopuri). În cele mai multe cazuri, astfel de baterii sunt protejate de „prost” de controlerul încorporat. Dar este util pentru utilizator să cunoască lucruri de bază despre designul, parametrii și funcționarea bateriilor cu litiu.

În primul rând, rețineți că o baterie cu litiu trebuie să aibă o tensiune de 2,7 până la 4,2 volți. Valoarea inferioară indică aici nivelul minim de încărcare, cea superioară indică nivelul maxim. În bateriile moderne Li, electrozii sunt fabricați din grafit și în cazul lor limita inferioară de tensiune este de 3 volți (2,7 este valoarea pentru electrozii de cocs). Energia electrică pe care o eliberează o baterie atunci când tensiunea scade de la limita superioară la limita inferioară se numește capacitatea sa.

Pentru a prelungi durata de viață a bateriilor cu litiu, producătorii restrâng ușor intervalul de tensiune. Adesea, acesta este 3,3-4,1 volți. După cum arată practica, durata maximă de viață a bateriilor cu litiu este atinsă la un nivel de încărcare de 45%. Dacă bateria este supraîncărcată sau supradescărcată, durata de viață a acesteia va fi scurtată. De obicei, se recomandă încărcarea unei baterii cu litiu la o încărcare de 15-20%. Și trebuie să opriți încărcarea imediat după ce ați atins capacitatea de 100%.

Dar, așa cum am menționat deja, controlerul salvează bateria de la supraîncărcare și descărcare profundă. Această placă de control cu ​​microcircuit se găsește pe aproape toate bateriile cu litiu. În diverse electronice de larg consum (tabletă, smartphone, laptop), funcționarea controlerului integrat în baterie este completată și de un microcircuit care este lipit pe placa dispozitivului propriu-zis.

În general, funcționarea corectă a bateriilor cu litiu este asigurată de controlerul acestora. Utilizatorului i se cere practic să nu se implice în acest proces și să nu se angajeze în activități de amatori.

Durata de viață

Durata de viață a bateriilor cu litiu este de aproximativ 500 de cicluri de încărcare-descărcare. Această valoare este valabilă pentru majoritatea bateriilor moderne litiu-ion și litiu-polimer. Durata de viață poate varia în timp. Depinde de intensitatea utilizării dispozitivului mobil. Cu utilizare constantă și încărcare cu aplicații care consumă mult resurse (videoclipuri, jocuri), bateria își poate epuiza limita în decurs de un an. Dar, în medie, durata de viață a bateriilor cu litiu este de 3-4 ani.

Proces de încărcare

Merită remarcat imediat că, pentru funcționarea normală a bateriei, trebuie să utilizați încărcătorul standard care vine cu gadgetul. În cele mai multe cazuri, aceasta este o sursă de 5 volți DC. Încărcătoarele standard pentru telefon sau tabletă furnizează de obicei un curent de aproximativ 0,5─1 * C (C este capacitatea nominală a bateriei).
Modul de încărcare standard pentru o baterie cu litiu este următorul. Acest mod este folosit în controlerele Sony și asigură încărcare maximă. Figura de mai jos arată acest proces în mod grafic.

Procesul constă din trei etape:

• Durata primei etape este de aproximativ o oră. În acest caz, curentul de încărcare este menținut la un nivel constant până când tensiunea bateriei atinge 4,2 volți. La final, gradul de încărcare este de 70%;
• a doua etapă durează, de asemenea, aproximativ o oră. În acest moment, controlerul menține o tensiune constantă de 4,2 volți, iar curentul de încărcare scade. Când curentul scade la aproximativ 0,2*C, începe etapa finală. La final, gradul de încărcare este de 90%;
• în a treia etapă, curentul scade continuu la o tensiune de 4,2 volți. În principiu, această etapă repetă a doua etapă, dar are o limită strictă de timp de 1 oră. După aceasta, controlerul deconectează bateria de la încărcător. La final, starea de încărcare este de 100%.

Controlerele care sunt capabile să ofere o astfel de punere în scenă sunt destul de scumpe. Acest lucru se reflectă în costul bateriei. Pentru a reduce costurile, mulți producători instalează controlere cu un sistem de încărcare simplificat în baterii. Adesea, aceasta este doar prima etapă. Încărcarea este întreruptă când tensiunea atinge 4,2 volți. Dar în acest caz, bateria cu litiu este încărcată doar la 70% din capacitatea sa. Dacă bateria cu litiu a dispozitivului durează 3 ore sau mai puțin pentru a se încărca, atunci cel mai probabil are un controler simplificat.

O serie de alte puncte merită remarcate. Periodic (la fiecare 2-3 luni) descărcați complet bateria (pentru ca telefonul să se oprească). Apoi este încărcat complet la 100%. După aceasta, scoateți bateria timp de 1-2 minute, introduceți și porniți telefonul. Nivelul de încărcare va fi mai mic de 100%. Încărcați complet și faceți acest lucru de mai multe ori până când se afișează o încărcare completă când introduceți bateria.

Amintiți-vă că încărcarea prin conectorul USB al unui laptop, desktop sau adaptor pentru brichetă într-o mașină este mult mai lentă decât cu un încărcător standard. Acest lucru se datorează limitării curente a interfeței USB de 500 mA.

De asemenea, amintiți-vă că la frig și la presiune atmosferică scăzută, bateriile cu litiu își pierd o parte din capacitate. La temperaturi sub zero, acest tip de baterie devine inoperabil.

Interesul crescând al consumatorilor pentru gadgeturile mobile și echipamentele portabile avansate tehnologic, în general, obligă producătorii să-și îmbunătățească produsele într-o varietate de direcții. În același timp, există o serie de parametri generali, lucru asupra căruia se desfășoară în aceeași direcție. Acestea includ metoda de alimentare cu energie. Cu doar câțiva ani în urmă, participanții activi pe piață puteau observa procesul de deplasare cu elemente mai avansate de origine nichel-hidrură metalică (NiMH). Astăzi, noile generații de baterii concurează între ele. Utilizarea pe scară largă a tehnologiei litiu-ion în unele segmente este înlocuită cu succes de bateria litiu-polimer. Diferența față de cea ionică din noua unitate nu este atât de vizibilă pentru utilizatorul obișnuit, dar în unele aspecte este semnificativă. În același timp, ca și în cazul concurenței dintre elementele NiCd și NiMH, tehnologia de înlocuire este departe de a fi impecabilă și, în unele privințe, este inferioară analogului său.

Dispozitiv cu baterie Li-ion

Primele modele de baterii seriale pe bază de litiu au început să apară la începutul anilor 1990. Cu toate acestea, cobaltul și manganul au fost apoi folosite ca electrolit activ. În cele moderne, nu atât substanța este importantă, cât configurația plasării acesteia în bloc. Astfel de baterii constau din electrozi care sunt separați printr-un separator cu pori. Masa separatorului, la rândul său, este impregnată cu electrolit. În ceea ce privește electrozii, aceștia sunt reprezentați de o bază catodică pe folie de aluminiu și un anod de cupru. În interiorul blocului, acestea sunt conectate între ele prin bornele colectoarelor de curent. Menținerea încărcăturii se realizează prin încărcarea pozitivă a ionului de litiu. Acest material este avantajos prin faptul că are capacitatea de a pătrunde cu ușurință în rețelele cristaline ale altor substanțe, formând legături chimice. Cu toate acestea, calitățile pozitive ale unor astfel de baterii se dovedesc din ce în ce mai mult a fi insuficiente pentru sarcinile moderne, ceea ce a dus la apariția celulelor Li-pol, care au multe caracteristici. În general, merită remarcată similitudinea surselor de alimentare cu litiu-ion cu bateriile cu heliu de dimensiune completă pentru mașini. În ambele cazuri, bateriile sunt proiectate pentru a fi practice din punct de vedere fizic. În parte, această direcție de dezvoltare a fost continuată de elementele polimerice.

Design baterie cu litiu polimer

Impulsul pentru îmbunătățirea bateriilor cu litiu a fost nevoia de a combate două deficiențe ale bateriilor Li-ion existente. În primul rând, sunt nesigure de utilizat și, în al doilea rând, sunt destul de scumpe. Tehnologii au decis să scape de aceste dezavantaje prin schimbarea electrolitului. Ca rezultat, separatorul poros impregnat a fost înlocuit cu un electrolit polimeric. Trebuie remarcat faptul că polimerul a fost folosit anterior pentru nevoi electrice ca folie de plastic care conduce curentul. Într-o baterie modernă, grosimea elementului Li-pol ajunge la 1 mm, ceea ce înlătură și restricțiile privind utilizarea diferitelor forme și dimensiuni de la dezvoltatori. Dar principalul lucru este absența electrolitului lichid, care elimină riscul de aprindere. Acum merită să aruncăm o privire mai atentă asupra diferențelor față de celulele cu litiu-ion.

Care este principala diferență față de o baterie ionică?

Diferența fundamentală este abandonarea heliului și a electroliților lichizi. Pentru o înțelegere mai completă a acestei diferențe, merită să apelăm la modelele moderne de baterii auto. Necesitatea înlocuirii electrolitului lichid a fost, din nou, din motive de siguranță. Dar dacă în cazul bateriilor auto, progresul s-a oprit la aceiași electroliți poroși cu impregnare, atunci modelele cu litiu au primit o bază solidă cu drepturi depline. Ce este atât de bun la o baterie cu polimer de litiu cu stare solidă? Diferența față de cea ionică este că substanța activă sub formă de placă în zona de contact cu litiul previne formarea dendritelor în timpul ciclării. Acest factor elimină posibilitatea de explozii și incendii ale unor astfel de baterii. Este vorba doar despre avantaje, dar există și puncte slabe în noile baterii.

Durată de viață a bateriei cu litiu polimer

În medie, astfel de baterii pot rezista la aproximativ 800-900 de cicluri de încărcare. Acest indicator este modest în comparație cu analogii moderni, dar nici măcar acest factor nu poate fi considerat ca determinând resursa unui element. Cert este că astfel de baterii sunt supuse unei îmbătrâniri intense, indiferent de natura utilizării. Adică, chiar dacă bateria nu este folosită deloc, durata de viață a acesteia va fi redusă. Nu contează dacă este o baterie litiu-ion sau o celulă litiu-polimer. Toate sursele de alimentare pe bază de litiu sunt caracterizate prin acest proces. O pierdere semnificativă de volum poate fi observată într-un an de la achiziție. După 2-3 ani, unele baterii se defectează complet. Dar mult depind de producător, deoarece în cadrul segmentului există și diferențe în ceea ce privește calitatea bateriei. Probleme similare apar cu celulele NiMH, care sunt supuse îmbătrânirii din cauza fluctuațiilor bruște de temperatură.

Defecte

Pe lângă problemele legate de îmbătrânirea rapidă, astfel de baterii necesită un sistem suplimentar de protecție. Acest lucru se datorează faptului că tensiunea internă în diferite zone poate duce la epuizare. Prin urmare, se folosește un circuit special de stabilizare pentru a preveni supraîncălzirea și supraîncărcarea. Același sistem implică și alte dezavantaje. Principala este limitarea actuală. Dar, pe de altă parte, circuitele de protecție suplimentare fac bateria cu litiu polimer mai sigură. Există și o diferență față de ionic în ceea ce privește costul. Bateriile polimer sunt mai ieftine, dar nu cu mult. Prețul lor crește și datorită introducerii circuitelor electronice de protecție.

Caracteristicile operaționale ale modificărilor de tip gel

Pentru a crește conductivitatea electrică, tehnologii încă adaugă un electrolit asemănător gelului elementelor polimerice. Nu se vorbește despre o tranziție completă la astfel de substanțe, deoarece aceasta contrazice conceptul acestei tehnologii. Dar în tehnologia portabilă, bateriile hibride sunt adesea folosite. Particularitatea lor este sensibilitatea la temperatură. Producătorii recomandă utilizarea acestor modele de baterii în condiții cuprinse între 60°C și 100°C. Această cerință a determinat și o nișă specială de aplicare. Modelele de tip gel pot fi folosite doar in locuri cu clima calda, ca sa nu mai vorbim de nevoia de a fi scufundate intr-o carcasa termoizolata. Cu toate acestea, întrebarea ce baterie să alegeți - Li-pol sau Li-ion - nu este atât de presantă în întreprinderi. Acolo unde temperatura are o influență deosebită, se folosesc adesea soluții combinate. În astfel de cazuri, elementele polimerice sunt de obicei folosite ca elemente de rezervă.

Metoda optimă de încărcare

Timpul obișnuit de reîncărcare pentru bateriile cu litiu este în medie de 3 ore. Mai mult, în timpul procesului de încărcare unitatea rămâne rece. Umplerea are loc în două etape. La prima, tensiunea atinge valori de vârf, iar acest mod se menține până ajunge la 70%. Restul de 30% este câștigat în condiții normale de stres. O altă întrebare interesantă este cum să încărcați o baterie litiu-polimer dacă trebuie să-i mențineți în mod constant capacitatea maximă? În acest caz, ar trebui să urmați programul de reîncărcare. Se recomandă efectuarea acestei proceduri aproximativ la fiecare 500 de ore de funcționare cu o descărcare completă.

Masuri de precautie

În timpul funcționării, trebuie să utilizați numai un încărcător care îndeplinește specificațiile, conectându-l la o rețea cu o tensiune stabilă. De asemenea, este necesar să verificați starea conectorilor, astfel încât bateria să nu se deschidă. Este important de luat în considerare că, în ciuda gradului ridicat de siguranță, acesta este încă un tip de baterie sensibilă la suprasarcină. Celula de litiu-polimer nu tolerează curentul excesiv, răcirea excesivă a mediului extern și șocul mecanic. Cu toate acestea, conform tuturor acestor indicatori, blocurile de polimer sunt încă mai fiabile decât cele cu litiu-ion. Totuși, principalul aspect al siguranței constă în inofensivitatea surselor de alimentare cu stare solidă - desigur, cu condiția ca acestea să fie păstrate sigilate.

Ce baterie este mai bună - Li-pol sau Li-ion?

Această problemă este determinată în mare măsură de condițiile de funcționare și de instalația de alimentare cu energie țintă. Principalele beneficii ale dispozitivelor polimerice sunt mai probabil să fie resimțite de producătorii înșiși, care pot folosi mai liber noile tehnologii. Pentru utilizator, diferența va fi abia vizibilă. De exemplu, în ceea ce privește modul de încărcare a unei baterii cu polimer de litiu, proprietarul va trebui să acorde mai multă atenție calității sursei de alimentare. În ceea ce privește timpul de încărcare, acestea sunt elemente identice. În ceea ce privește durabilitatea, situația în acest parametru este, de asemenea, ambiguă. Efectul de îmbătrânire caracterizează elementele polimerice într-o măsură mai mare, dar practica arată exemple diferite. De exemplu, există recenzii despre celulele litiu-ion care devin inutilizabile după doar un an de utilizare. Iar cele polimerice din unele dispozitive sunt folosite timp de 6-7 ani.

Concluzie

Există încă multe mituri și opinii false în jurul bateriilor care se referă la diferite nuanțe de funcționare. Dimpotrivă, unele caracteristici ale bateriei sunt oprite de producători. Cât despre mituri, unul dintre ele este infirmat de bateria cu litiu polimer. Diferența față de analogul ionic este că modelele polimerice suferă mai puțin stres intern. Din acest motiv, sesiunile de încărcare a bateriilor care nu s-au epuizat încă nu au un efect dăunător asupra caracteristicilor electrozilor. Dacă vorbim despre faptele ascunse de producători, atunci unul dintre ele se referă la durabilitate. După cum sa menționat deja, durata de viață a bateriei este caracterizată nu numai de o rată modestă a ciclurilor de încărcare, ci și de pierderea inevitabilă a volumului util al bateriei.

În telefoanele mobile moderne, camerele și alte dispozitive, bateriile litiu-ion sunt cel mai des folosite, înlocuind bateriile alcaline și nichel-cadmiu, cărora le sunt superioare în multe privințe. Bateriile cu anod de litiu au apărut pentru prima dată în anii 70 ai secolului precedent și au devenit imediat foarte populare datorită tensiunii ridicate și intensității energetice.

Istoria apariției

Evoluțiile au fost de scurtă durată, dar la nivel practic au apărut dificultăți care au fost rezolvate abia în anii 90 ai secolului trecut. Datorită activității ridicate a litiului, în interiorul elementului au avut loc procese chimice, care au dus la incendiu.

La începutul anilor 90, au avut loc o serie de accidente - utilizatorii de telefonie, în timp ce vorbeau, au primit arsuri grave ca urmare a aprinderii spontane a elementelor și apoi a dispozitivelor de comunicație în sine. În acest sens, bateriile au fost complet întrerupte, iar cele lansate anterior au fost returnate de la vânzare.

Bateriile moderne litiu-ion nu folosesc metal pur, ci doar compușii săi ionizați, deoarece sunt mai stabili. Din păcate, oamenii de știință au fost nevoiți să reducă semnificativ capacitățile bateriei, dar au reușit să realizeze principalul lucru - oamenii nu mai sufereau de arsuri.

Rețeaua cristalină a diferiților compuși de carbon s-a dovedit a fi potrivită pentru intercalarea ionilor de litiu la electrodul negativ. La încărcare, se deplasează de la anod la catod, iar la descărcare, invers.

Principiul de funcționare și soiuri

În fiecare baterie litiu-ion, baza electrodului negativ sunt substanțe care conțin carbon, a căror structură poate fi comandată sau parțial ordonată. În funcție de material, procesul de intercalare a Li în C variază. Electrodul pozitiv este realizat în principal din nichel placat sau oxid de cobalt.

Rezumând toate reacțiile, acestea pot fi reprezentate în următoarele ecuații:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe - pentru catod.
2. C + xLi+ + xe → CLix - pentru anod.

Ecuatiile sunt prezentate pentru cazul descarcarii in timpul incarcarii acestea curg in sens invers. Oamenii de știință efectuează cercetări asupra noilor materiale constând din fosfați și oxizi amestecați. Aceste materiale sunt planificate pentru a fi utilizate pentru catod.

Există două tipuri de baterii Li-Ion:

1. cilindric;
2. prismatic.

Principala diferență este locația plăcilor (în prismatică - una peste alta). Mărimea bateriei cu litiu depinde de aceasta. De regulă, cele prismatice sunt mai dense și mai compacte.

În plus, în interior există un sistem de siguranță - un mecanism care, atunci când temperatura crește, crește rezistența, iar când presiunea crește, întrerupe circuitul anod-catod. Datorită plăcii electronice, un scurtcircuit devine imposibil, deoarece controlează procesele din interiorul bateriei.

Electrozii cu polaritate opusă sunt separați printr-un separator. Carcasa trebuie sigilată; scurgerile de electrolit sau pătrunderea apei și a oxigenului vor distruge atât bateria, cât și dispozitivul de transport electronic.

De la diferiți producători, o baterie cu litiu poate arăta complet diferit, nu există o formă uniformă a produsului. Raportul dintre masele active ale anodului și catodului ar trebui să fie de aproximativ 1:1, altfel este posibilă formarea de litiu metalic, ceea ce va duce la incendiu.

Avantaje și dezavantaje

Bateriile au parametri excelenți care variază între diferiți producători. Tensiunea nominală este de 3,7−3,8 V cu maxim 4,4 V. Densitatea de energie (unul dintre indicatorii principali) este de 110−230 Wh/kg.

Rezistența internă variază de la 5 la 15 mOhm/1Ah. Durata de viață după numărul de cicluri (descărcare/încărcare) este de 1000-5000 de unități. Timpul de încărcare rapidă este de 15-60 de minute. Unul dintre cele mai semnificative avantaje este procesul lent de autodescărcare (doar 10-20% pe an, din care 3-6% în prima lună). Intervalul de temperatură de funcționare este de 0 C - +65 C la temperaturi sub zero, încărcarea este imposibilă.

Încărcarea are loc în mai multe etape:

1. până la un anumit punct curge curentul maxim de încărcare;
2. la atingerea parametrilor de funcționare, curentul scade treptat până la 3% din valoarea maximă.

În timpul depozitării, reîncărcarea periodică este necesară aproximativ la fiecare 500 de ore pentru a compensa autodescărcarea. La supraîncărcare, se poate depune litiu metal care, interacționând cu electrolitul, formează oxigen. Acest lucru crește riscul depresurizării din cauza presiunii interne crescute.

Reîncărcarea frecventă reduce foarte mult durata de viață a bateriei. În plus, sunt afectate mediul, temperatura, curentul etc.

Elementul are dezavantaje, printre care se numără următoarele:

termeni de utilizare

Cel mai bine este să depozitați bateria în următoarele condiții: Încărcarea trebuie să fie de cel puțin 40%, iar temperatura nu trebuie să fie foarte scăzută sau ridicată. Cea mai bună opțiune este intervalul de la 0C la +10C. De obicei, aproximativ 4% din capacitate se pierde în 2 ani, motiv pentru care nu este recomandat să cumpărați baterii de la date de producție anterioare.

Oamenii de știință au inventat o modalitate de a crește durata de valabilitate. La electrolit se adaugă un conservant adecvat. Cu toate acestea, astfel de baterii ar trebui „antrenate” sub forma a 2-3 cicluri complete de descărcare/încărcare, astfel încât să poată funcționa ulterior normal. În caz contrar, poate apărea un „efect de memorie” și umflarea ulterioară a întregii structuri. Când este utilizată corect și respectând toate standardele de stocare, bateria poate dura mult timp, în timp ce capacitatea sa va rămâne la un nivel ridicat.