Lithium-iontová baterie. Typy moderních lithiových baterií

Lithium-iontové a lithium-polymerové baterie

Inženýrské myšlení se neustále vyvíjí: je stimulováno neustále se objevujícími problémy, které vyžadují vývoj nových technologií k řešení. Svého času byly nikl-kadmiové (NiCd) baterie nahrazeny nikl-metal hydridovými (NiMH) a nyní se lithium-iontové (Li-ion) snaží nahradit lithium-iontové (Li-ion) baterie. NiMH baterie do jisté míry nahradily NiCd, ale vzhledem k takovým nepopiratelným výhodám NiCd, jako je schopnost dodávat vysoký proud, nízké náklady a dlouhá životnost, nemohly poskytnout jejich plnou náhradu. Ale co lithiové baterie? Jaké jsou jejich vlastnosti a jak se Li-pol baterie liší od Li-ion? Pokusme se tuto problematiku pochopit.

Každý z nás při nákupu mobilního telefonu nebo notebooku zpravidla nepřemýšlí o tom, jaký druh baterie je uvnitř a čím se tato zařízení obecně liší. A teprve poté, když jsme se v praxi setkali se spotřebitelskými vlastnostmi určitých baterií, začneme analyzovat a vybírat. Pro ty, kteří spěchají a chtějí okamžitě získat odpověď na otázku, která baterie je pro mobil optimální, odpovím stručně - Li-ion. Následující informace jsou určeny pro zvědavce.

Nejprve krátký exkurz do historie.

První experimenty s výrobou lithiových baterií začaly v roce 1912, ale teprve o šest desetiletí později, na počátku 70. let, byly poprvé uvedeny do domácích zařízení. Navíc, dovolte mi zdůraznit, to byly jen baterie. Následné pokusy vyvinout lithiové baterie (nabíjecí baterie) selhaly kvůli obavám o bezpečnost. Lithium, nejlehčí ze všech kovů, má největší elektrochemický potenciál a poskytuje největší hustotu energie. Baterie využívající lithiové kovové elektrody nabízejí vysoké napětí a vynikající kapacitu. Ale v důsledku četných studií v 80. letech bylo zjištěno, že cyklický provoz (nabíjení - vybíjení) lithiových baterií vede ke změnám lithiové elektrody, v důsledku čehož klesá tepelná stabilita a hrozí tepelný stav vymknout se kontrole. Když k tomu dojde, teplota prvku se rychle přiblíží bodu tání lithia – a začne prudká reakce, která zapálí uvolněné plyny. Například velké množství lithiových baterií mobilních telefonů dodaných do Japonska v roce 1991 bylo staženo po několika požárech.

Kvůli inherentní nestabilitě lithia výzkumníci obrátili svou pozornost na nekovové lithiové baterie založené na iontech lithia. Poté, co trochu ztratily na hustotě energie a přijaly určitá opatření při nabíjení a vybíjení, dostaly bezpečnější takzvané Li-ion baterie.

Energetická hustota Li-ion baterií je obvykle dvojnásobná oproti standardním NiCd a v budoucnu se očekává, že ji díky použití nových aktivních materiálů ještě zvýší a dosáhne trojnásobné převahy nad NiCd. Kromě velké kapacity se Li-ion baterie při vybíjení chovají podobně jako NiCd (jejich vybíjecí charakteristiky jsou tvarově podobné a liší se pouze napětím).

Dnes existuje mnoho druhů Li-ion baterií a můžete dlouho mluvit o výhodách a nevýhodách jednoho nebo druhého typu, ale není možné je rozlišit podle vzhledu. Proto si všimneme pouze těch výhod a nevýhod, které jsou charakteristické pro všechny typy těchto zařízení, a zvážíme důvody, které vedly ke zrodu lithium-polymerových baterií.

Hlavní výhody.

• Vysoká hustota energie a v důsledku toho vysoká kapacita při stejných rozměrech ve srovnání s bateriemi na bázi niklu.
• Nízké samovybíjení.
• Vysoké napětí na článek (3,6 V versus 1,2 V u NiCd a NiMH), což zjednodušuje konstrukci – často se baterie skládá pouze z jednoho článku. Mnoho výrobců dnes používá právě takovou jednočlánkovou baterii v mobilních telefonech (vzpomeňte si na Nokii). Pro zajištění stejného výkonu je však nutné dodávat vyšší proud. A to vyžaduje zajištění nízkého vnitřního odporu prvku.
• Nízké náklady na údržbu (provoz) vyplývají z absence paměťového efektu, který vyžaduje periodické vybíjecí cykly pro obnovení kapacity.

Nedostatky.

Technologie výroby Li-ion baterií se neustále zlepšuje. Aktualizuje se přibližně každých šest měsíců a je obtížné pochopit, jak se nové baterie „chovají“ po dlouhodobém skladování.

Jedním slovem, Li-ion baterie by byla dobrá pro každého, nebýt problémů se zajištěním bezpečnosti jejího provozu a vysokých nákladů. Pokusy o řešení těchto problémů vedly ke vzniku lithium-polymerových (Li-pol nebo Li-polymerových) baterií.

Jejich hlavní rozdíl od Li-ion se odráží v názvu a spočívá v typu použitého elektrolytu. Zpočátku, v 70. letech, se používal suchý pevný polymerní elektrolyt, podobný plastové fólii a nevodící elektřinu, ale umožňující výměnu iontů (elektricky nabité atomy nebo skupiny atomů). Polymerní elektrolyt účinně nahrazuje tradiční porézní separátor impregnovaný elektrolytem.

Tato konstrukce zjednodušuje výrobní proces, je bezpečnější a umožňuje výrobu tenkých baterií volného tvaru. Absence kapalného nebo gelového elektrolytu navíc eliminuje možnost vznícení. Tloušťka prvku je asi jeden milimetr, takže vývojáři vybavení si mohou svobodně vybrat tvar, tvar a velikost, a to i včetně jeho implementace do fragmentů oblečení.

Ale zatím bohužel suché Li-polymerové baterie mají nedostatečnou elektrickou vodivost při pokojové teplotě. Jejich vnitřní odpor je příliš vysoký a nemůže poskytnout množství proudu potřebné pro moderní komunikaci a napájení pevných disků přenosných počítačů. Současně se při zahřátí na 60 °C nebo více elektrická vodivost Li-polymeru zvýší na přijatelnou úroveň, ale to není vhodné pro hromadné použití.

Výzkumníci pokračují ve vývoji Li-polymerových baterií se suchým pevným elektrolytem, ​​který funguje při pokojové teplotě. Očekává se, že takové baterie budou komerčně dostupné do roku 2005. Budou stabilní, umožní 1000 cyklů úplného nabití a vybití a budou mít vyšší hustotu energie než dnešní Li-ion baterie

Mezitím se některé typy Li-polymerových baterií nyní používají jako záložní zdroje energie v horkém klimatu. Někteří výrobci například speciálně instalují topná tělesa, která udržují příznivou teplotu pro baterii.

Můžete se ptát: jak je to možné? Li-polymerové baterie se na trhu hojně prodávají, výrobci jimi vybavují telefony a počítače, ale tady říkáme, že ještě nejsou připraveny pro komerční využití. Je to velmi jednoduché. V tomto případě mluvíme o bateriích ne se suchým pevným elektrolytem. Aby se zvýšila elektrická vodivost malých Li-polymerových baterií, přidává se do nich určité množství gelovitého elektrolytu. A většina Li-polymerových baterií používaných dnes pro mobilní telefony jsou vlastně hybridy, protože obsahují gel podobný elektrolytu. Správnější by bylo nazývat je lithium-iontovým polymerem. Většina výrobců je ale pro reklamní účely jednoduše označuje jako Li-polymer. Podívejme se podrobněji na tento typ lithium-polymerových baterií, protože v současné době je o ně největší zájem.

Jaký je tedy rozdíl mezi Li-ion a Li-polymerovými bateriemi s přidaným gelovým elektrolytem? Přestože vlastnosti a účinnost obou systémů jsou do značné míry podobné, jedinečnost Li-ion polymerové (můžete to tak nazvat) baterie spočívá v tom, že stále používá pevný elektrolyt nahrazující porézní separátor. Gelový elektrolyt se přidává pouze pro zvýšení iontové vodivosti.

Technické potíže a zpoždění při navyšování výroby zpozdily zavedení lithium-iontových polymerových baterií. To je podle některých odborníků způsobeno touhou investorů, kteří investovali nemalé peníze do vývoje a hromadné výroby Li-ion baterií, aby se jim investice vrátily. S přechodem na nové technologie proto nikam nespěchají, i když při hromadné výrobě lithium-iontových polymerových baterií budou levnější než lithium-iontové.

A nyní o vlastnostech provozu Li-ion a Li-polymerových baterií.

Jejich hlavní vlastnosti jsou velmi podobné. Nabíjení Li-ion baterií je dostatečně podrobně popsáno v článku. Kromě toho uvedu pouze graf (obr. 1) z ilustrující fáze nabíjení a malá vysvětlení k němu.

Doba nabíjení všech Li-ion baterií s počátečním nabíjecím proudem 1C (číselně se rovná jmenovité hodnotě kapacity baterie) je v průměru 3 hodiny. Plného nabití je dosaženo, když se napětí baterie rovná horní prahové hodnotě a když se nabíjecí proud sníží na úroveň rovnající se přibližně 3 % počáteční hodnoty. Baterie zůstává během nabíjení studená. Jak je patrné z grafu, proces nabíjení se skládá ze dvou fází. V první (něco přes hodinu) se napětí zvyšuje při téměř konstantním počátečním nabíjecím proudu 1C, dokud není poprvé dosaženo horního prahu napětí. V tomto okamžiku je baterie nabitá přibližně na 70 % své kapacity. Na začátku druhého stupně zůstává napětí téměř konstantní a proud klesá, dokud nedosáhne výše uvedených 3 %. Poté se nabíjení úplně zastaví.

Pokud potřebujete baterii udržovat stále nabitou, doporučuje se dobíjet po 500 hodinách nebo 20 dnech. Obvykle se provádí, když napětí na svorkách baterie klesne na 4,05 V a zastaví se, když dosáhne 4,2 V

Pár slov o teplotním rozsahu během nabíjení. Většinu typů Li-ion baterií lze nabíjet proudem 1C při teplotách od 5 do 45 °C. Při teplotách od 0 do 5 °C se doporučuje nabíjet proudem 0,1 C. Nabíjení při teplotách pod nulou je zakázáno. Optimální teplota pro nabíjení je 15 až 25 °C.

Procesy nabíjení v Li-polymerových bateriích jsou téměř totožné s těmi popsanými výše, takže spotřebitel absolutně nemusí vědět, který ze dvou typů baterií má v ruce. A všechny ty nabíječky, které použil pro Li-ion baterie, jsou vhodné pro Li-polymer.

A nyní o podmínkách vypouštění. Typicky se Li-ion baterie vybíjejí na hodnotu 3,0 V na článek, i když u některých typů je spodní prahová hodnota 2,5 V. Výrobci bateriově napájených zařízení obvykle navrhují zařízení s prahem vypnutí 3,0 V (pro všechny příležitosti). Co to znamená? Napětí na baterii se při zapnutí telefonu postupně snižuje a jakmile dosáhne 3,0 V, zařízení vás upozorní a vypne se. To však neznamená, že přestalo spotřebovávat energii z baterie. Energie, i když malá, je potřeba k detekci stisknutí vypínače telefonu a některých dalších funkcí. Energii navíc spotřebovává vlastní vnitřní řídicí a ochranný obvod a samovybíjení, i když malé, je stále typické i pro baterie na bázi lithia. V důsledku toho, pokud jsou lithiové baterie ponechány po dlouhou dobu bez dobití, napětí na nich klesne pod 2,5 V, což je velmi špatné. V tomto případě může být vnitřní řídicí a ochranný obvod deaktivován a ne všechny nabíječky budou schopny takové baterie nabíjet. Hluboké vybití navíc negativně ovlivňuje vnitřní strukturu samotné baterie. Zcela vybitá baterie musí být nabita v prvním stupni proudem pouze 0,1C. Baterie jsou zkrátka rády v nabitém stavu než ve vybitém stavu.

Pár slov o teplotních podmínkách při vybíjení (čtěte za provozu).

Obecně platí, že Li-ion baterie fungují nejlépe při pokojové teplotě. Provoz v teplejších podmínkách vážně zkrátí jejich životnost. Přestože např. olověná baterie má nejvyšší kapacitu při teplotách nad 30 °C, dlouhodobý provoz v takových podmínkách zkracuje životnost baterie. Stejně tak Li-ion funguje lépe při vysokých teplotách, které zpočátku působí proti nárůstu vnitřního odporu baterie, který je důsledkem stárnutí. Zvýšený energetický výdej je však krátkodobý, protože rostoucí teploty zase podporují zrychlené stárnutí, doprovázené dalším zvýšením vnitřního odporu.

Jedinou výjimkou jsou v tuto chvíli lithium-polymerové baterie se suchým pevným polymerovým elektrolytem. Vyžadují životní teplotu 60 °C až 100 °C. A takové baterie si našly své místo na trhu se záložními zdroji v horkém klimatu. Jsou umístěny v tepelně izolovaném pouzdře se zabudovanými topnými tělesy napájenými z vnější sítě. Li-ion polymerové baterie jako záloha jsou považovány za lepší z hlediska kapacity a životnosti než baterie VRLA, zejména v polních podmínkách, kde není možná regulace teploty. Limitujícím faktorem ale zůstává jejich vysoká cena.

Při nízkých teplotách výrazně klesá účinnost baterií ve všech elektrochemických systémech. Zatímco NiMH, SLA a Li-ion baterie přestanou fungovat při -20°C, NiCd baterie nadále fungují až do -40°C. Dovolte mi jen poznamenat, že opět mluvíme pouze o bateriích širokého použití.

Je důležité pamatovat na to, že ačkoli baterie může pracovat při nízkých teplotách, neznamená to, že ji lze za těchto podmínek také nabíjet. Odezva nabíjení většiny baterií při velmi nízkých teplotách je extrémně omezená a nabíjecí proud by v těchto případech měl být snížen na 0,1 C.

Na závěr bych rád poznamenal, že na fóru v podfóru příslušenství můžete klást dotazy a diskutovat o problémech souvisejících s Li-ion, Li-polymerovými, ale i jinými typy baterií.

Při psaní tohoto článku byly použity materiály [—Baterie pro mobilní zařízení a přenosné počítače. Analyzátory baterií.

Lithium-iontové baterie nejsou tak vybíravé jako jejich nikl-metalhydridové protějšky, ale přesto vyžadují určitou péči. Držet se pět jednoduchých pravidel, můžete nejen prodloužit životnost lithium-iontových baterií, ale také zvýšit provozní dobu mobilních zařízení bez dobíjení.

Nedovolte úplné vybití. Lithium-iontové baterie nemají tzv. paměťový efekt, takže je lze a navíc je potřeba nabíjet bez čekání na vybití na nulu. Mnoho výrobců počítá životnost lithium-iontové baterie podle počtu cyklů úplného vybití (až 0 %). Pro kvalitní baterie toto 400-600 cyklů. Chcete-li prodloužit životnost lithium-iontové baterie, nabíjejte telefon častěji. Optimálně, jakmile nabití baterie klesne pod 10-20 procent, můžete telefon nabít. Tím se zvýší počet vybíjecích cyklů na 1000-1100 .
Odborníci popisují tento proces takovým indikátorem jako Depth Of Discharge. Pokud je váš telefon vybitý na 20 %, pak je hloubka vybití 80 %. Níže uvedená tabulka ukazuje závislost počtu vybíjecích cyklů lithium-iontové baterie na hloubce vybití:

Vybíjení jednou za 3 měsíce. Dlouhodobé plné nabíjení je pro lithium-iontové baterie stejně škodlivé jako neustálé vybíjení na nulu.
Vzhledem k extrémně nestabilnímu procesu nabíjení (telefon často nabíjíme podle potřeby a kdekoli je to možné z USB, ze zásuvky, z externí baterie atd.) odborníci doporučují baterii jednou za 3 měsíce zcela vybít a následně nabít na 100 % a nabití 8-12 hodin. To pomáhá resetovat příznaky takzvané vysoké a nízké baterie. Můžete si o tom přečíst více.

Skladujte částečně nabité. Optimální stav pro dlouhodobé skladování lithium-iontové baterie je mezi 30 a 50 procenty nabití při 15 °C. Pokud necháte baterii plně nabitou, její kapacita se časem výrazně sníží. Ale baterie, která již dlouhou dobu shromažďuje prach na polici, vybitá na nulu, s největší pravděpodobností již není naživu - je čas ji poslat k recyklaci.
Níže uvedená tabulka ukazuje, kolik kapacity zbývá v lithium-iontové baterii v závislosti na skladovací teplotě a úrovni nabití při skladování po dobu 1 roku.

Používejte originální nabíječku. Málokdo ví, že ve většině případů je nabíječka zabudována přímo do mobilních zařízení a externí síťový adaptér pouze snižuje napětí a usměrňuje proud domácí elektrické sítě, to znamená, že nemá přímý vliv na baterii. Některé gadgety, jako jsou digitální fotoaparáty, nemají vestavěnou nabíječku, a proto se jejich lithium-iontové baterie vkládají do externí „nabíječky“. Zde může použití externí nabíječky pochybné kvality místo původní nabíječky negativně ovlivnit výkon baterie.

Vyvarujte se přehřátí. No, nejhorším nepřítelem lithium-iontových baterií je vysoká teplota - absolutně nemohou tolerovat přehřátí. Nevystavujte proto svá mobilní zařízení přímému slunečnímu záření ani je neumisťujte do blízkosti zdrojů tepla, jako jsou elektrická topidla. Maximální přípustné teploty, při kterých lze používat lithium-iontové baterie: od –40°C do +50°C

Také se můžete podívat

V různých oborech se dnes nejčastěji používají lithium-iontové baterie. Jsou zvláště široce používány v mobilní elektronice (PDA, mobilní telefony, notebooky a mnoho dalšího), elektrických vozidlech a tak dále. To je způsobeno jejich výhodami oproti dříve široce používaným nikl-kadmiovým (Ni-Cd) a nikl-metal hydridovým (Ni-MH) bateriím. A pokud se posledně jmenované přiblížily svému teoretickému limitu, pak je technologie lithium-iontových baterií na začátku své cesty.

Zařízení

V lithium-iontových bateriích slouží hliník jako záporná elektroda (katoda) a měď jako kladná elektroda (anoda). Elektrody mohou být vyrobeny v různých tvarech, zpravidla se však jedná o fólie ve tvaru podlouhlého obalu nebo válce.

• Anodový materiál na měděné fólii a katodový materiál na hliníkové fólii jsou odděleny porézním separátorem, který je napuštěn elektrolytem.
• Balíček elektrod je instalován v utěsněném pouzdře a anody a katody jsou připojeny ke svorkám sběrače proudu
• Pod krytem baterie mohou být speciální zařízení. Jedno zařízení reaguje zvýšením odporu na kladný teplotní koeficient. Druhé zařízení přeruší elektrické spojení mezi kladným pólem a katodou, když tlak plynu v baterii vzroste nad povolenou mez. V některých případech je pouzdro vybaveno pojistným ventilem, který uvolňuje vnitřní tlak v případě porušení provozních podmínek nebo nouzových situací.
• Pro zvýšení bezpečnosti provozu využívá řada baterií i externí elektronickou ochranu. Zabraňuje možnosti nadměrného zahřívání, zkratu a přebíjení baterie.
• Konstrukčně se baterie vyrábí v prizmatickém a válcovém provedení. Svinutý balíček separátoru a elektrod ve válcových bateriích je umístěn v hliníkovém nebo ocelovém pouzdře, ke kterému je připojena záporná elektroda. Kladný pól baterie je vyveden přes izolátor do krytu. Prizmatické baterie vznikají naskládáním obdélníkových desek na sebe.

Tyto typy lithium-iontových baterií umožňují těsnější balení, ale je u nich obtížnější udržet tlakové síly na elektrodách než u válcových baterií. Řada prizmatických baterií využívá sestavu role svazku elektrod stočených do eliptické spirály.

Většina baterií se vyrábí v prizmatických verzích, protože jejich hlavním účelem je zajistit provoz notebooků a mobilních telefonů. Konstrukce Li-ion baterií je zcela utěsněná. Tento požadavek je dán nepřípustností úniku kapalného elektrolytu. Pokud se dovnitř dostane vodní pára nebo kyslík, dojde k reakci s elektrolytem a materiály elektrod, což vede k úplnému selhání baterie.

Princip fungování

• Lithium-iontové baterie mají dvě elektrody ve formě anody a katody, mezi nimiž je elektrolyt. Na anodě při zapojení baterie do uzavřeného obvodu dochází k chemické reakci, která vede ke vzniku volných elektronů.
• Tyto elektrony mají tendenci se dostat ke katodě, kde je jejich koncentrace nižší. Co jim však brání jít z anody přímo ke katodě, je elektrolyt, který se nachází mezi elektrodami. Jediná cesta, která zbývá, je přes obvod, kde je baterie uzavřena. V tomto případě elektrony, pohybující se po určeném obvodu, dodávají zařízení energii.
• Kladně nabité ionty lithia, které za sebou zanechaly uniklé elektrony, jsou zároveň směřovány přes elektrolyt ke katodě, aby se uspokojila poptávka po elektronech na katodové straně.
• Poté, co se všechny elektrony přesunou ke katodě, nastane „smrt“ baterie. Ale lithium-iontová baterie je dobíjecí, což znamená, že proces lze obrátit.

Pomocí nabíječky můžete do obvodu zavést energii, čímž spustíte reakci v opačném směru. Výsledkem bude nahromadění elektronů na anodě. Jakmile je baterie nabitá, zůstane tak z větší části, dokud nebude aktivována. Postupem času však baterie ztratí část svého náboje i v pohotovostním režimu.

• Kapacita baterie se vztahuje k počtu iontů lithia, které se mohou usadit v kráterech a malých pórech anody nebo katody. V průběhu času, po četných dobíjeních, katoda a anoda degradují. V důsledku toho klesá počet iontů, které mohou pojmout. V tomto případě již baterie nemůže udržet stejnou úroveň nabití. Nakonec úplně ztratí své funkce.

Lithium-iontové baterie jsou navrženy tak, že jejich nabíjení musí být neustále monitorováno. Za tímto účelem je v pouzdru instalována speciální deska, která se nazývá regulátor nabíjení. Čip na desce řídí proces nabíjení baterie.

Standardní nabíjení baterie vypadá takto:

• Na začátku procesu nabíjení dodává regulátor proud 10 % jmenovitého proudu. V tuto chvíli napětí stoupne na 2,8 V.
• Poté se nabíjecí proud zvýší na jmenovitý. Během této doby stoupne stejnosměrné napětí na 4,2 V.
• Na konci nabíjecího procesu proud klesá při konstantním napětí 4,2 V, dokud není baterie nabitá na 100 %.

Staging se může lišit v důsledku použití různých ovladačů, což vede k různým rychlostem nabíjení a v důsledku toho k celkovým nákladům na baterii. Lithium-iontové baterie mohou být bez ochrany, to znamená, že ovladač je umístěn v nabíječce, nebo s vestavěnou ochranou, to znamená, že ovladač je umístěn uvnitř baterie. Mohou existovat zařízení, kde je ochranná deska zabudována přímo do baterie.

Odrůdy a aplikace

Lithium-iontové baterie mají dva tvarové faktory:

1. Válcové lithium-iontové baterie.
2. Lithium-iontové baterie tabletu.

Různé podtypy elektrochemického lithium-iontového systému jsou pojmenovány podle typu použité účinné látky. Všechny tyto lithium-iontové baterie mají společné to, že se jedná o uzavřené, bezúdržbové baterie.

Existuje 6 nejběžnějších typů lithium-iontových baterií:

1. Lithium-kobaltová baterie . Pro vysokou měrnou spotřebu energie je oblíbeným řešením pro digitální fotoaparáty, notebooky a mobilní telefony. Baterie se skládá z katody z oxidu kobaltu a grafitové anody. Nevýhody lithium-kobaltových baterií: omezená nosnost, špatná tepelná stabilita a relativně krátká životnost.

Aplikace ; mobilní elektronika.

1. Lithium-manganová baterie . Krystalická lithium-manganová spinelová katoda se vyznačuje trojrozměrnou strukturou. Spinel poskytuje nízký odpor, ale má mírnější hustotu energie než kobalt.

Oblasti použití; elektrické pohonné jednotky, lékařské vybavení, elektrické nářadí.

1. Lithium-nikl-mangan-kobalt-oxidová baterie . Katoda baterie kombinuje kobalt, mangan a nikl. Nikl je známý svou vysokou měrnou energetickou náročností, ale nízkou stabilitou. Mangan poskytuje nízký vnitřní odpor, ale má za následek nízkou hustotu energie. Kombinace kovů umožňuje kompenzovat jejich nevýhody a využívat jejich přednosti.

Oblasti použití; pro soukromé a průmyslové použití (bezpečnostní systémy, solární elektrárny, nouzové osvětlení, telekomunikace, elektrická vozidla, elektrická kola a tak dále).

1. Lithium-železo fosfátová baterie . Jeho hlavní přednosti jsou: dlouhá životnost, vysoké jmenovité proudy, odolnost proti nesprávnému použití, zvýšená bezpečnost a dobrá tepelná stabilita. Tato baterie má však malou kapacitu.

Oblasti použití: stacionární a přenosná specializovaná zařízení, kde je vyžadována odolnost a vysoké zatěžovací proudy.

1. Lithium-nikl-kobalt-hlinitý akumulátor . Jeho hlavní výhody: vysoká energetická hustota a energetická náročnost, odolnost. Jeho použití však omezuje jeho bezpečnost a vysoké náklady.

Oblasti použití; elektrické pohonné jednotky, průmyslové a lékařské vybavení.

1. Lithium-titanátová baterie . Jeho hlavní přednosti: rychlé nabíjení, dlouhá životnost, široký teplotní rozsah, vynikající výkon a bezpečnost. Jedná se o nejbezpečnější dostupnou lithium-iontovou baterii.

Má však vysokou cenu a nízkou měrnou energetickou náročnost. V současné době probíhá vývoj směřující ke snížení výrobních nákladů a zvýšení měrné energetické náročnosti.

Oblasti použití; ulice, elektrické pohonné jednotky automobilů (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), UPS.

Typické vlastnosti

Obecně mají lithium-iontové baterie následující typické vlastnosti:

• Minimální napětí není nižší než 2,2-2,5V.
• Maximální napětí není vyšší než 4,25-4,35V.
• Doba nabíjení: 2-4 hodiny.
• Samovybíjení při pokojové teplotě je asi 7 % za rok.
• Rozsah provozních teplot od -20 °C do +60 °C.
• Počet cyklů nabití/vybití do dosažení ztráty 20 % kapacity je 500-1000.

Výhody a nevýhody

Mezi výhody patří:

• Vysoká hustota energie ve srovnání s alkalickými bateriemi používajícími nikl.
• Napětí jednoho článku baterie je poměrně vysoké.
• Neexistuje žádný „paměťový efekt“, který zajišťuje jednoduché ovládání.
• Značný počet cyklů nabíjení-vybíjení.
• Dlouhá životnost.
• Široký teplotní rozsah pro konzistentní výkon.
• Relativní environmentální bezpečnost.

Mezi nevýhody patří:

• Mírný vybíjecí proud.
• Relativně rychlé stárnutí.
• Relativně vysoké náklady.
• Nemožnost práce bez vestavěného ovladače.
• Možnost samovznícení při vysokém zatížení a příliš hlubokém vybití.
• Design vyžaduje výrazná vylepšení, protože není dotažen k dokonalosti.

Když se mluví o lithiových bateriích či akumulátorech, většinou si ani neuvědomí, že se jich za posledních pár let objevila téměř desítka, přičemž každé z nich je lithium s různými přísadami dalších chemických prvků, které se v konečném důsledku výrazně liší od navzájem.

Podívejme se na jejich typy a začněme klasikou:

Lithium-iontové baterie jsou klasické dobíjecí baterie, ve kterých se ionty lithia při vybíjení pohybují ze záporné elektrody na kladnou a při nabíjení zpět. Lithium-iontové baterie jsou široce používány ve spotřební elektronice. Jsou jedním z nejoblíbenějších typů dobíjecích baterií pro přenosnou elektroniku s jednou z nejlepších hustot energie, bez paměťového efektu a pomalou ztrátou nabití, když se nepoužívají (nízké samovybíjení).

Tato řada pokrývá válcové a prizmatické velikosti baterií. Li-ion má nejvyšší hustotu energie ze všech starých typů baterií. Velmi nízká hmotnost a dlouhá životnost z něj činí ideální produkt pro mnoho řešení.

Lithium titanate (lithium titanate) je relativně nová třída lithium-iontových baterií - (více podrobností). Vyznačuje se velmi dlouhým životním cyklem, měřeným v tisících cyklů. Titaničitan lithný a olovnatý je také velmi bezpečný a v tomto ohledu srovnatelný s fosforečnanem železitým. Hustota energie je nižší než u jiných lithium-iontových zdrojů a jeho jmenovité napětí je 2,4V.

Tato technologie se vyznačuje velmi rychlým nabíjením, nízkým vnitřním odporem, velmi vysokou životností a výbornou výdrží (i bezpečností). LTO našlo své uplatnění především v elektromobilech a náramkových hodinkách. V poslední době začíná nacházet uplatnění v mobilních zdravotnických zařízeních díky vysoké bezpečnosti. Jednou z vlastností technologie je, že na anodě používá nanokrystaly místo uhlíku, což poskytuje mnohem efektivnější povrch. Bohužel má tato baterie nižší napětí než jiné typy lithiových baterií.

Zvláštnosti:

• Měrná energie: asi 30-110Wh/kg
• Hustota energie: 177 W * h/l
• Měrný výkon: 3 000-5 100 W/kg
• Účinnost vybíjení: přibližně 85 %; účinnost nabíjení více než 95%
• Cena energie: 0,5 W/dolar
• Skladovatelnost: >10 let
• Samovybíjení: 2-5%/měsíc
• Trvanlivost: 6000 cyklů na 90% kapacity
• Jmenovité napětí: 1,9 až 2,4 V
• Teplota: -40 až +55°C
• Metoda nabíjení: Používá stabilní konstantní proud, poté konstantní napětí, dokud nedosáhne prahové hodnoty.

Chemický vzorec: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2< >Li7Ti5O12 + 6Li0,5CoO2(E=2,1 V)

Lithiový polymer má vyšší hustotu energie z hlediska hmotnosti než lithium-iontové baterie. Ve velmi tenkých článcích (do 5 mm) poskytuje lithiový polymer vysokou objemovou hustotu energie. Vynikající stabilita při přepětí a vysokých teplotách.

Tuto řadu baterií lze vyrábět v rozsahu od 30 do 23000 mAh, prizmatické a válcové typy pouzdra. Lithium-polymerové baterie nabízejí řadu výhod: větší objemovou hustotu energie, flexibilitu velikosti článků a širší bezpečnostní rozpětí s vynikající stabilitou napětí i při vysokých teplotách. Hlavní oblasti použití: přenosné přehrávače, Bluetooth, bezdrátová zařízení, PDA a digitální fotoaparáty, elektrokola, GPS navigace, notebooky, e-čtečky.

Zvláštnosti:

• Jmenovité napětí: 3,7V
• Nabíjecí napětí: 4,2±0,05V
• Nabíjecí proud, rychlost: 0,2-10C
• Limit vybíjecího napětí: 2,5V
• Rychlost vybíjení: až 50C
• Výdrž cyklu: 400 cyklů

Fosforečnan lithný má dobré bezpečnostní vlastnosti, dlouhou životnost (až 2000 cyklů) a nízké výrobní náklady. LiFePO4 baterie se dobře hodí pro aplikace s vysokým vybíjecím proudem, jako je vojenská technika, elektrické nářadí, elektrická kola, mobilní počítače, UPS a solární systémy.

Jako nový anodový materiál pro lithium-iontové baterie byl lifepo4 poprvé představen v roce 1997 a dodnes je neustále vylepšován. Pozornost odborníků upoutal svou spolehlivou bezpečností, odolností, nízkým dopadem na životní prostředí při likvidaci a pohodlnými charakteristikami nabíjení a vybíjení. Mnoho odborníků tvrdí, že baterie lifepo4 jsou zdaleka nejlepší volbou pro autonomní napájení elektroniky.

Lithium oxid siřičitý (baterie Li a SO2) - tyto baterie mají vysokou hustotu energie a dobrou odolnost proti vysokému vybíjení. Takové prvky se používají především ve vojenské vědě, meteorologii a kosmonautice.

Lithiové baterie s oxidem siřičitým s lithiovou kovovou anodou (nejlehčí ze všech kovů) a kapalnou katodou obsahující porézní uhlíkový kolektor proudu naplněný oxidem siřičitým (SO2) produkují napětí 2,9 V a jsou válcového tvaru.

Zvláštnosti:

• Vysoké provozní napětí, stabilní po většinu výboje
• Extrémně nízké samovybíjení
• Výkon v extrémních podmínkách
• Široký rozsah provozních teplot (-55°C až +65°C)

Lithium-oxid manganičitý (Li-MnO2 baterie) - tyto baterie mají lehkou lithiovou kovovou anodu a pevnou katodu oxidu manganičitého, ponořené v nekorozivním, netoxickém organickém elektrolytu. Tento typ baterie je v souladu s EU RoHS a vyznačuje se velkou kapacitou, vysokou vybíjecí kapacitou a dlouhou životností.

Li-MnO2 je široce používán v záložních zdrojích napájení, nouzových majácích, požárních hlásičích, elektronických systémech kontroly přístupu, digitálních fotoaparátech, lékařském vybavení.

Zvláštnosti:

• Vysoká hustota energie
• Velmi stabilní vybíjecí napětí
• Více než 10 let trvanlivosti
• Provozní teplota: -40 až +60°C

Lithiumthionylchloridové (lithium-SOCl2) baterie mají lehkou lithiovou kovovou anodu a kapalnou katodu obsahující porézní uhlíkový sběrač proudu naplněný thionylchloridem (SOCl2). Li-SOCL2 baterie jsou ideální pro automobilová zařízení, lékařská zařízení a vojenské a letecké aplikace. Mají nejširší rozsah provozních teplot od -60 do + 150°C.

Zvláštnosti:

• Vysoká hustota energie
• Dlouhá skladovatelnost
• Široký teplotní rozsah
• Dobré těsnění
• Stabilní vybíjecí napětí

Li-FeS2 baterie

Li-FeS2 baterie a baterie znamenají disulfid lithný. Informace o nich budou doplněny později.

Spotřebitelský trh s lithium-iontovými (Li-ion) bateriemi je obrovský – asi 10 miliard dolarů, ale je poměrně stabilní, s tempem růstu pouze 2 % ročně. A co elektromobily, ptáte se? V nadcházejících letech se v důsledku vývoje elektrických vozidel předpokládá roční míra růstu lithium-iontových baterií 10 %. Překvapivě největší oblastí růstu na trhu Li-ion baterií je i nadále „vše ostatní“, od mobilních telefonů po vysokozdvižné vozíky.

„Jiné“ aplikace lithium-iontových baterií mívají jedno společné – jsou to zařízení, která jsou napájena utěsněnými olověnými akumulátory (SLA). Olověné baterie dominují na trhu s elektronikou již téměř 200 let, ale již několik let jsou nahrazovány lithium-iontovými bateriemi. Vzhledem k tomu, že v mnoha případech lithium-iontové baterie začaly nahrazovat olověné baterie (baterie), stojí za to porovnat tyto dva typy zařízení pro ukládání energie s důrazem na hlavní technické vlastnosti a ekonomickou proveditelnost použití Li-ion místo tradičních zařízení SLA. .

Historie používání dobíjecích baterií

Olověná baterie byla první dobíjecí baterie, vyvinutá pro komerční použití v 50. letech 19. století. I přes jejich celkem úctyhodné stáří více než 150 let se stále aktivně používají v moderních zařízeních. Navíc se aktivně používají v aplikacích, kde by se zdálo docela možné vystačit si s moderními technologiemi. Některá běžná zařízení poměrně aktivně využívají SKB, jako jsou nepřerušitelné zdroje napájení (UPS), golfové vozíky nebo vysokozdvižné vozíky. Překvapivě trh s olověnými bateriemi stále roste pro určité výklenky a projekty.

První, poměrně významná inovace v technologii olova a kyseliny přišla v 70. letech 20. století, kdy byly vynalezeny zapečetěné SKB nebo bezúdržbové SKB. Tato modernizace spočívala ve vzhledu speciálních ventilů pro vypouštění plynů při nabíjení/vybíjení baterií. Použití smáčeného separátoru navíc umožnilo provozovat baterii v nakloněné poloze bez úniku elektrolytu.

SKB nebo anglicky. SLA jsou často klasifikovány podle typu nebo aplikace. V současné době jsou dva nejběžnější typy gel, také známý jako ventilem regulovaná olověná kyselina (VRLA) a absorpční skleněná rohož AGM. Baterie AGM se používají pro malé UPS, nouzové osvětlení a aplikace pro invalidní vozíky, zatímco baterie VRLA jsou určeny pro aplikace většího formátu, jako je záložní napájení pro mobilní reléové věže, internetové uzly a vysokozdvižné vozíky. Olověné baterie lze také klasifikovat podle následujících kritérií: automobilové (startér nebo SLI - startování, osvětlení, zapalování); trakce (trakce nebo hluboký cyklus); stacionární (nepřerušitelné zdroje napájení). Hlavní nevýhodou SLA u všech těchto aplikací je životní cyklus – při opakovaném vybíjení dochází k jejich vážnému poškození.

Překvapivě byly olověné baterie nesporným lídrem na trhu baterií po mnoho desetiletí, až do příchodu lithium-iontových baterií v 80. letech 20. století. Lithium-iontová baterie je dobíjecí článek, ve kterém se ionty lithia během vybíjení pohybují ze záporné elektrody na kladnou elektrodu a během nabíjení naopak. Lithium-iontové baterie používají interkalované sloučeniny lithia, ale neobsahují lithium, které se používá v jednorázových bateriích.

Lithium-iontová baterie byla poprvé vynalezena v 70. letech minulého století. V 80. letech byla na trh uvedena první komerční verze baterie s katodou z oxidu kobaltu. Tento typ zařízení měl výrazně větší hmotnost a kapacitní možnosti ve srovnání se systémy na bázi niklu. Nové lithium-iontové baterie podpořily obrovský růst na trhu mobilních telefonů a notebooků. Zpočátku byly z bezpečnostních důvodů zavedeny bezpečnější možnosti, které kromě inovací v konstrukci článků zahrnovaly přísady na bázi niklu a manganu v katodovém materiálu z oxidu kobaltu.

První lithium-iontové články uvedené na trh byly v pevných hliníkových nebo ocelových plechovkách a typicky se dodávaly pouze v několika formách, buď válcové nebo hranolové (ve tvaru cihel). S rozšiřováním škály aplikací lithium-iontové technologie se však začaly měnit jejich celkové rozměry.

Například levnější verze starší technologie se používají v noteboocích a mobilních telefonech. Dnešní tenké lithium-polymerové články se používají v chytrých telefonech, tabletech a nositelných zařízeních. V současné době se lithium-iontové baterie používají v elektrickém nářadí, elektrokolech a dalších zařízeních. Tato variace ohlašuje úplnou náhradu olověných zařízení ve stále více aplikacích zaměřených na zlepšení celkové velikosti a výkonu.

Chemické vlastnosti

Základy buněčné chemie dávají olověným a lithium-iontovým zařízením specifické vlastnosti a různé stupně funkčnosti. Níže jsou uvedeny některé z výhod olověných baterií, díky nimž se staly základním produktem po celá desetiletí, a nevýhody, které nyní vedou k jejich výměně, a také podobné úvahy pro lithium-iontová zařízení.

Olověná baterie

• SKB je jednoduchý, spolehlivý a levný. Může být použit v širokém teplotním rozsahu.
• Baterie musí být skladovány ve stavu nabití (SoC) a nelze je rychle nabíjet.
• SKB jsou těžké. Jejich gravimetrická hustota energie je velmi nízká.
• Životní cyklus je obvykle 200 až 300 vybití/nabití, což je velmi krátké.
• Křivka nabíjení/vybíjení umožňuje měření SOC s jednoduchým řízením napětí.

Li-ion baterie

• Mají maximální hustotu energie z hlediska velikosti a hmotnosti.
• Životní cyklus je typicky mezi 300 a 500, ale může být v tisících u článků s fosforečnanem lithným;
• Rozsah provozních teplot je velmi malý;
• K dispozici jsou různé velikosti buněk, tvary a další možnosti;
• Nevyžaduje žádnou údržbu. Úroveň samovybíjení je velmi nízká.
• Je nutné zavést provozní bezpečnostní schémata. Komplexní nabíjecí algoritmus.
• Měření SoC vyžaduje složitá řešení kvůli nelinearitě křivky napětí.

Elektronika

Je důležité pochopit rozdíl mezi baterií a dobíjecí baterií. Buňka je hlavní součástí balíčku. Kromě toho je součástí balení také elektronika, konektory a pouzdro. Výše uvedený obrázek ukazuje příklady těchto zařízení. Lithium-iontová baterie musí mít minimálně implementovanou ochranu článků a řídicí obvody a nabíječka a systém snímání napětí jsou mnohem složitější než ty, které se nacházejí v olověných zařízeních.

Při použití lithium-iontových a olověných baterií budou hlavní rozdíly v elektronice následující:

Nabíječka

Nabíjení olověného akumulátoru je poměrně jednoduché, pokud jsou splněny určité prahové hodnoty napětí. Lithium-iontové baterie používají složitější algoritmus, s výjimkou baterií na bázi fosforečnanu železa. Standardní metodou nabíjení pro taková zařízení je metoda konstantní proud/konstantní napětí (CC/CV). Zahrnuje dvoufázový proces nabíjení. V první fázi probíhá nabíjení konstantním proudem. To trvá, dokud napětí na článku nedosáhne určité prahové hodnoty, poté napětí zůstává konstantní a proud exponenciálně klesá, dokud nedosáhne mezní hodnoty.

Počítání poplatků a komunikace

Jak již bylo zmíněno dříve, náboj SCB lze měřit pomocí jednoduchých měření napětí. Při použití lithium-iontových baterií je nutné kontrolovat úroveň nabití článků, což vyžaduje implementaci složitých algoritmů a cyklů učení.

I 2 C je nejběžnější a nákladově nejefektivnější komunikační protokol používaný v lithium-iontových bateriích, ale má omezení z hlediska odolnosti proti šumu, integrity signálu na vzdálenost a celkové šířky pásma. SMBus (System Management Bus), derivát I 2 C, je velmi běžný u menších baterií, ale v současné době nemá žádnou účinnou podporu pro vysoce výkonné nebo větší balíčky. CAN je skvělý pro prostředí s vysokou hlučností nebo tam, kde jsou vyžadovány dlouhé běhy, jako v mnoha aplikacích SKB, ale je poměrně drahý.

Přímé náhrady

Je třeba zdůraznit, že nyní existuje několik standardních formátů olověných baterií. Například - U1, standardní tvarový faktor používaný v aplikacích záložního napájení lékařských zařízení. Lithium-železofosfátová baterie se ukázala jako docela slušná náhrada za olověné. Fosforečnan železitý má vynikající životní cyklus, dobrou vodivost náboje, zlepšenou bezpečnost a nízkou impedanci. Napětí lithiových fosfátových baterií je také dobře přizpůsobeno napětím olověných baterií (12 V a 24 V), což umožňuje použití stejných nabíječek. Softwarové balíčky pro údržbu a monitorování baterií zahrnují chytré funkce, jako je sledování nabíjení, počítadlo cyklů nabíjení/vybíjení a další.

Lithium-železofosfátové baterie si během skladování zachovávají 100% kapacitu, na rozdíl od SKB baterií, které ztrácejí kapacitu během několika měsíců skladování. Výše uvedený obrázek porovnává oba produkty a typy pokroků provedených při přechodu z SKB na Li-ion.

Závěry

Existuje jen velmi málo baterií, které dokážou uložit tolik energie jako olověné baterie, což činí tento typ baterií nákladově efektivním pro mnoho zařízení s vysokým výkonem. Lithium-iontová technologie neustále klesá v ceně, stejně jako neustálé zlepšování jejich chemické struktury a bezpečnostních systémů, což z nich dělá důstojného konkurenta technologii olova a kyseliny. Zařízení pro jejich použití mohou být velmi odlišná, od zařízení pro nepřerušitelné napájení až po elektrická vozidla a drony.