Kluczowym elementem mobilności urządzeń elektronicznych jest akumulator (ACB). Rosnące wymagania, aby zapewnić im jak najdłuższą autonomię, stymulują ciągłe badania w tym obszarze i prowadzą do powstawania nowych rozwiązań technologicznych.
Powszechnie stosowane akumulatory niklowo-kadmowe (Ni-Cd) i niklowo-metalowo-wodorkowe (Ni-MH) mają alternatywę - najpierw baterie litowe, a następnie bardziej zaawansowane akumulatory litowo-jonowe (Li-ion).
Zawartość
Historia pojawienia się
Pierwsze takie baterie pojawiły się w latach 70-tych. ostatni wiek. Natychmiast zyskały popyt ze względu na bardziej zaawansowane cechy. Anoda elementów została wykonana z litu metalicznego, którego właściwości umożliwiły zwiększenie energii właściwej. Tak narodziły się baterie litowe.
Nowe akumulatory miały znaczną wadę - zwiększone ryzyko wybuchu i zapłonu.Przyczyną było tworzenie się warstewki litu na powierzchni elektrody, co doprowadziło do naruszenia stabilności temperatury. W momencie maksymalnego obciążenia akumulator może eksplodować.
Udoskonalenie technologii doprowadziło do rezygnacji z czystego litu w komponentach akumulatorów na rzecz stosowania jego dodatnio naładowanych jonów. Dobrym rozwiązaniem okazał się akumulator litowo-jonowy.
Ten typ baterii jonowej charakteryzuje się wyższym bezpieczeństwem, które uzyskuje się kosztem niewielkiego spadku gęstości energii, jednak stały postęp technologiczny pozwolił na ograniczenie do minimum ubytków tego wskaźnika.
Urządzenie
Wprowadzenie baterii litowo-jonowych do przemysłu elektroniki użytkowej stało się przełomem po opracowaniu baterii z katodą z materiału węglowego (grafitu) i anodą z tlenku kobaltu.
W procesie rozładowywania akumulatora jony litu są usuwane z materiału katody i wchodzą w tlenek kobaltu przeciwległej elektrody, podczas ładowania proces przebiega w odwrotnym kierunku. W ten sposób jony litu wytwarzają prąd elektryczny, przechodząc od jednej elektrody do drugiej.
Akumulatory Li-Ion produkowane są w wersji cylindrycznej i pryzmatycznej. W cylindrycznej konstrukcji dwie wstęgi płaskich elektrod, oddzielone materiałem impregnowanym elektrolitem, są zwijane i umieszczane w szczelnej metalowej obudowie. Materiał katody jest osadzany na folii aluminiowej, a materiał anodowy jest osadzany na folii miedzianej.
Pryzmatyczną konstrukcję baterii uzyskuje się poprzez ułożenie prostokątnych płyt jedna na drugiej. Taki kształt baterii umożliwia zagęszczenie układu urządzenia elektronicznego. Produkowane są również baterie pryzmatyczne z elektrodami zwijanymi skręconymi w spiralę.
Żywotność i żywotność
Długa, pełna i bezpieczna eksploatacja akumulatorów litowo-jonowych jest możliwa przy przestrzeganiu zasad eksploatacji, ich zaniedbanie nie tylko skróci żywotność produktu, ale może prowadzić do negatywnych konsekwencji.
Eksploatacja
Kluczowym wymogiem dla pracy akumulatorów Li-Ion jest temperatura - nie należy dopuszczać do przegrzania. Wysokie temperatury mogą wyrządzić maksymalne szkody, a przyczyną przegrzania może być zarówno źródło zewnętrzne, jak i stresujące tryby ładowania i rozładowywania akumulatora.
Np. nagrzanie do 45°C prowadzi do 2 krotnego zmniejszenia zdolności podtrzymania naładowania baterii. Temperaturę tę można łatwo osiągnąć, gdy urządzenie jest wystawione na działanie promieni słonecznych przez dłuższy czas lub podczas uruchamiania energochłonnych aplikacji.
Jeśli produkt się przegrzeje, zaleca się umieszczenie go w chłodnym miejscu, lepiej go wyłączyć i wyjąć baterię.
Aby uzyskać najlepszą wydajność baterii w letnie upały, należy korzystać z trybu oszczędzania energii, który jest dostępny na większości urządzeń mobilnych.
Niskie temperatury mają również negatywny wpływ na akumulatory jonowe, w temperaturach poniżej -4°C akumulator nie jest już w stanie dostarczać pełnej mocy.
Ale zimno nie jest tak szkodliwe dla akumulatorów Li-Ion jak wysokie temperatury, a najczęściej nie powoduje trwałych uszkodzeń. Pomimo tego, że po podgrzaniu do temperatury pokojowej właściwości robocze akumulatora zostają całkowicie przywrócone, nie należy zapominać o spadku pojemności na mrozie.
Kolejnym zaleceniem stosowania akumulatorów Li-Ion jest zapobieganie ich głębokiemu rozładowaniu. Wiele akumulatorów starszej generacji miało efekt pamięci, który wymagał ich rozładowania do zera, a następnie pełnego naładowania.Akumulatory Li-Ion nie mają tego efektu, a pojedyncze przypadki całkowitego rozładowania nie prowadzą do negatywnych konsekwencji, ale ciągłe głębokie rozładowanie jest szkodliwe. Zaleca się podłączenie ładowarki, gdy poziom naładowania wynosi 30%.
Dożywotni
Niewłaściwa praca akumulatorów Li-Ion może skrócić ich żywotność o 10-12 razy. Okres ten zależy bezpośrednio od liczby cykli ładowania. Uważa się, że akumulatory typu Li-Ion wytrzymują od 500 do 1000 cykli, z uwzględnieniem pełnego rozładowania. Wyższy procent pozostałego ładunku do następnego ładowania znacznie wydłuża żywotność baterii.
Ponieważ żywotność baterii Li-Ion jest w dużej mierze determinowana przez warunki pracy, nie jest możliwe podanie dokładnej żywotności dla tych baterii. Przeciętnie można oczekiwać, że bateria tego typu wytrzyma 7-10 lat, jeśli będą przestrzegane wymagane przepisy.
Proces ładowania
Podczas ładowania należy unikać zbyt długiego łączenia akumulatora z ładowarką. Normalna praca akumulatora litowo-jonowego odbywa się przy napięciu nieprzekraczającym 3,6 V. Ładowarki podczas ładowania dostarczają na wejście akumulatora napięcie 4,2 V. W przypadku przekroczenia czasu ładowania w akumulatorze mogą rozpocząć się niepożądane reakcje elektrochemiczne prowadzące do przegrzania ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami.
Twórcy wzięli pod uwagę taką cechę - bezpieczeństwo ładowania nowoczesnych akumulatorów Li-Ion jest kontrolowane przez specjalne wbudowane urządzenie, które zatrzymuje proces ładowania, gdy napięcie wzrośnie powyżej dopuszczalnego poziomu.
W przypadku akumulatorów litowych poprawna jest dwustopniowa metoda ładowania.W pierwszym etapie akumulator musi być ładowany, zapewniając stały prąd ładowania, drugi etap musi być prowadzony stałym napięciem i stopniowym spadkiem prądu ładowania. Taki algorytm jest zaimplementowany sprzętowo w większości ładowarek domowych.
Przechowywanie i usuwanie
Akumulator litowo-jonowy może być przechowywany przez długi czas, samorozładowanie wynosi 10-20% rocznie. Ale jednocześnie następuje stopniowy spadek właściwości produktu (degradacja).
Zaleca się przechowywanie takich baterii w miejscu chronionym przed wilgocią, w temperaturze +5 ... + 25 ° С. Niedopuszczalne są silne wibracje, uderzenia i bliskość otwartego ognia.
Proces recyklingu ogniw litowo-jonowych musi być prowadzony w wyspecjalizowanych przedsiębiorstwach posiadających odpowiednią licencję. Około 80% materiałów z akumulatorów pochodzących z recyklingu można ponownie wykorzystać do produkcji nowych akumulatorów.
Bezpieczeństwo
Akumulator litowo-jonowy, nawet o miniaturowych rozmiarach, jest obarczony ryzykiem wybuchowego samozapłonu. Ta cecha tego typu baterii wymaga przestrzegania środków bezpieczeństwa na wszystkich etapach, od projektowania po produkcję i przechowywanie.
Aby poprawić bezpieczeństwo akumulatorów Li-Ion podczas produkcji, w ich obudowie umieszczona jest niewielka płytka elektroniczna - system monitorowania i kontroli, który ma na celu wyeliminowanie przeciążeń i przegrzania. Mechanizm elektroniczny zwiększa rezystancję obwodu, gdy temperatura wzrasta powyżej ustalonego limitu. Niektóre modele akumulatorów mają wbudowany przełącznik mechaniczny, który przerywa obwód, gdy wzrasta ciśnienie wewnątrz akumulatora.
Ponadto w skrzynkach na baterie często instalowany jest zawór bezpieczeństwa, aby zmniejszyć ciśnienie w nagłych wypadkach.
Plusy i minusy baterii litowych
Zaletami tego typu baterii są:
- wysoka gęstość energii;
- brak efektu pamięci;
- długa żywotność;
- niski wskaźnik samorozładowania;
- brak konieczności konserwacji;
- zapewnienie stałych parametrów pracy w stosunkowo szerokim zakresie temperatur.
Ma baterię litową i wady, są to:
- ryzyko samozapłonu;
- wyższy koszt niż jego poprzednicy;
- potrzeba wbudowanego kontrolera;
- niepożądane głębokie rozładowanie.
Technologie produkcji akumulatorów Li-Ion są stale ulepszane, wiele niedociągnięć stopniowo odchodzi w przeszłość.
Obszar zastosowań
Wysoka gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych determinuje ich główny obszar zastosowania - mobilne urządzenia elektroniczne: laptopy, tablety, smartfony, kamery wideo, kamery, systemy nawigacyjne, różne wbudowane czujniki i szereg innych produktów.
Istnienie cylindrycznego kształtu tych baterii pozwala na ich stosowanie w latarkach, telefonach stacjonarnych i innych urządzeniach, które wcześniej pobierały energię z baterii jednorazowych.
Zasada budowy akumulatora litowo-jonowego ma kilka odmian, typy różnią się rodzajem użytych materiałów (litowo-kobaltowy, litowo-manganowy, litowo-niklowo-manganowo-tlenkowy kobaltu itp.). Każdy z nich ma swój własny zakres.
Oprócz elektroniki mobilnej grupa akumulatorów litowo-jonowych wykorzystywana jest w następujących obszarach:
- elektronarzędzia ręczne;
- przenośny sprzęt medyczny;
- zasilacze awaryjne;
- systemy bezpieczeństwa;
- moduły oświetlenia awaryjnego;
- stacje zasilane energią słoneczną;
- pojazdy elektryczne i rowery elektryczne.
Biorąc pod uwagę ciągłe doskonalenie technologii litowo-jonowej oraz sukcesy w tworzeniu baterii o dużej pojemności i niewielkich rozmiarach, można przewidywać ekspansję zastosowań takich baterii.
Cechowanie
Parametry akumulatorów litowo-jonowych są nadrukowane na korpusie produktu, natomiast zastosowane kodowanie może się znacznie różnić dla różnych rozmiarów. Nie opracowano jeszcze jednego standardu etykietowania baterii dla wszystkich producentów, ale nadal możliwe jest samodzielne określenie najważniejszych parametrów.
Litery w linii oznaczenia wskazują rodzaj ogniwa i użyte materiały: pierwsza litera I oznacza technologię litowo-jonową, kolejna (C, M, F lub N) określa skład chemiczny, trzecia litera R oznacza, że komórka jest ładowalna (ładowalna).
Liczby w nazwie rozmiaru wskazują rozmiar baterii w milimetrach: dwie pierwsze cyfry to średnica, a dwie pozostałe to długość. Na przykład 18650 oznacza średnicę 18 mm i długość 65 mm, 0 oznacza cylindryczny współczynnik kształtu.
Ostatnie litery i cyfry w serii to oznaczenia kontenerów specyficzne dla każdego producenta. Nie ma również jednolitych standardów oznaczania daty produkcji.
