Klíčovým prvkem mobility elektronických zařízení je dobíjecí baterie (akumulátor). Rostoucí požadavky na zajištění co nejdelší autonomie podněcují neustálý výzkum v této oblasti a vedou k vývoji nových technologických řešení.
Alternativou k běžně používaným Ni-Cd a Ni-MH bateriím se staly nejprve lithiové baterie a poté pokročilejší lithium-iontové baterie.
Obsah
Historie
První baterie tohoto typu vznikly v 70. letech 20. století. Díky lepšímu výkonu po nich byla okamžitě poptávka. Anoda článku byla vyrobena z kovového lithia, jehož vlastnosti umožnily zvýšit hustotu energie. Tímto způsobem byly vyvinuty lithiové baterie.
Nové baterie měly zásadní nevýhodu - zvýšené riziko výbuchu a vznícení. Důvodem byla tvorba lithiového filmu na povrchu elektrod, což vedlo k teplotní nestabilitě. Při maximálním zatížení by baterie mohla explodovat.
Zdokonalení technologie vedlo k opuštění čistého lithia v součástech baterie ve prospěch použití kladně nabitých iontů. Jako úspěšné řešení se ukázala lithium-iontová baterie.
Tento typ baterie má vyšší bezpečnostní rezervu kvůli o něco nižší hustotě energie, ale technologický pokrok umožnil tuto nevýhodu minimalizovat.
Zařízení
V oblasti zavádění lithium-iontových baterií do spotřební elektroniky došlo k průlomu díky vývoji baterie s katodou z uhlíkového materiálu (grafitu) a anodou z oxidu kobaltu.
Při vybíjení se ionty lithia odstraňují z materiálu katody a začleňují se do oxidu kobaltu na protější elektrodě; při nabíjení probíhá tento proces v opačném směru. Ionty lithia tak vytvářejí elektrický proud pohybem od jedné elektrody k druhé.
Li-Ion baterie se vyrábějí ve válcovém a prizmatickém provedení. U válcového provedení jsou dva pásy plochých elektrod oddělené materiálem napuštěným elektrolytem srolovány a umístěny v uzavřeném kovovém pouzdře. Katodový materiál se nanáší na hliníkovou fólii a anodový materiál na měděnou fólii.
Hranolová konstrukce baterie vzniká skládáním obdélníkových desek na sebe. Tento tvar baterie umožňuje, aby bylo uspořádání elektronického zařízení hustší. K dispozici jsou také prizmatické baterie se svinutými elektrodami stočenými do spirály.
Provoz a životnost
Dlouhý, spolehlivý a bezpečný provoz lithium-iontových baterií závisí na správném používání, jinak se nejen zkracuje životnost baterie, ale může to mít i negativní důsledky.
Operace
Klíčovým požadavkem pro provoz Li-Ion baterií je teplota - je třeba zabránit jejich přehřátí. Vysoké teploty mohou způsobit maximální poškození a přehřátí může být způsobeno jak vnějším zdrojem, tak i stresujícími postupy při nabíjení a vybíjení.
Například zahřátí na 45 °C sníží schopnost baterie udržet nabití až 2krát. Této teploty lze snadno dosáhnout dlouhodobým vystavením zařízení slunci nebo spuštěním energeticky náročných aplikací.
Pokud se výrobek přehřívá, doporučujeme jej umístit na chladné místo, nejlépe s vypnutou a vyjmutou baterií.
V letních vedrech by se měl používat úsporný režim baterie, který je k dispozici u většiny mobilních zařízení, aby baterie fungovala co nejlépe.
Nízké teploty mají také negativní vliv na Li-Ion baterie, při teplotách pod -4 °C již baterie nedokážou poskytnout plnou kapacitu.
Chlad však není pro Li-Ion baterie tak škodlivý jako vysoké teploty a většinou nezpůsobí trvalé poškození. Přestože se baterie po zahřátí na pokojovou teplotu plně obnoví, neměli byste zapomínat na ztrátu kapacity v chladu.
Dalším pravidlem pro Li-Ion baterie je nenechat je hluboce vybít. Mnoho předchozích generací baterií mělo paměťový efekt, který vyžadoval jejich vybití na nulu a následné plné nabití. Li-Ion baterie tento efekt nemají, občasné úplné vybití nemá žádné nepříznivé účinky, ale trvalé hluboké vybíjení je škodlivé. Doporučuje se, aby nabíječka byla připojena při úrovni nabíjení 30 %.
Doživotní
Nesprávné používání Li-Ion baterií může zkrátit jejich životnost 10 až 12krát. Tento termín přímo souvisí s počtem nabíjecích cyklů. Odhaduje se, že Li-Ion baterie lze v plně vybitém stavu používat 500 až 1000 cyklů. Vyšší procento zbývajícího nabití před dalším nabíjením výrazně prodlouží životnost baterie.
Vzhledem k tomu, že délka životnosti Li-Ion baterií je do značné míry závislá na provozních podmínkách, není možné u těchto baterií uvést přesnou délku životnosti. Při dodržení požadovaných podmínek lze u baterií tohoto typu očekávat průměrnou životnost 7-10 let.
Proces nabíjení
Při nabíjení nezapojujte baterii do nabíječky na příliš dlouhou dobu. Lithium-iontová baterie bude normálně fungovat při napětí nepřesahujícím 3,6 V. Nabíječky během nabíjení přivádějí na vstup baterie napětí 4,2 V. Pokud je doba nabíjení překročena, mohou se v baterii spustit nežádoucí elektrochemické reakce, které povedou k přehřátí se všemi následky.
Vývojáři na takovou vlastnost pamatovali - bezpečnost nabíjení moderních Li-Ion baterií je řízena speciálním vestavěným zařízením, které zastaví proces nabíjení, pokud napětí překročí povolenou úroveň.
U lithiových baterií je správným způsobem nabíjení dvoufázový způsob nabíjení. V prvním stupni se baterie nabíjí konstantním nabíjecím proudem, ve druhém stupni se dodává konstantní napětí a postupně se snižuje nabíjecí proud. Tento algoritmus je hardwarově implementován ve většině domácích nabíječek baterií.
Skladování a likvidace
Lithium-iontovou baterii lze skladovat po dlouhou dobu, přičemž její samovybíjení činí 10-20 % za rok. Vlastnosti výrobku (degradace) se však s časem postupně zhoršují.
Baterie by měla být skladována při teplotě +5 °C až +25 °C a chráněna před vlhkostí. Vyvarujte se silných vibrací, nárazů nebo kontaktu s otevřeným ohněm.
Recyklaci lithium-iontových článků musí provádět schválené recyklační zařízení. Přibližně 80 % materiálů recyklovaných baterií lze znovu použít při výrobě nových baterií.
Bezpečnost
Lithium-iontová baterie i ve své miniaturní velikosti představuje riziko samovznícení. Zvláštní charakteristika tohoto typu baterií vyžaduje bezpečnostní opatření ve všech fázích, od návrhu až po výrobu a skladování.
Pro zvýšení bezpečnosti Li-Ion baterií je při výrobě uvnitř baterie umístěna malá deska s elektronickými obvody, kontrolní a řídicí systém, který má zabránit přetížení a přehřátí. Elektronický mechanismus zvyšuje odpor obvodu, když teplota stoupne nad předem stanovenou mez. Některé modely baterií mají zabudovaný mechanický spínač, který při zvýšení tlaku uvnitř baterie rozpojí obvod.
Pouzdra baterií jsou také často vybavena bezpečnostním ventilem, který v případě nouze uvolní tlak.
Výhody a nevýhody lithiových baterií
Výhody tohoto typu baterie jsou:
- vysoká hustota energie;
- žádný paměťový efekt;
- dlouhá životnost;
- nízká míra samovybíjení;
- není nutná žádná údržba;
- není potřeba údržby; není potřeba údržby; není potřeba údržby.
Lithiová baterie má také nevýhody, jako např.
- riziko samovznícení;
- vyšší náklady než jeho předchůdci;
- potřebu vestavěného ovladače;
- nežádoucí hluboké vybití.
Technologie Li-Ion baterií se neustále zdokonaluje a mnohé nedostatky se postupně stávají minulostí.
Aplikace
Vysoká energetická hustota lithium-iontových baterií určuje jejich hlavní oblast použití - mobilní elektronická zařízení: notebooky, tablety, chytré telefony, videokamery, fotoaparáty, navigační systémy, různé vestavěné senzory a další výrobky.
Existence válcového tvaru těchto baterií umožňuje jejich použití ve svítilnách, pevných telefonech a dalších zařízeních, která dříve spotřebovávala energii z jednorázových baterií.
Konstrukční princip lithium-iontových baterií má několik variant, které se liší typem použitých materiálů (lithium-kobalt, lithium-mangan, lithium-nikl-mangan-oxid kobaltu atd.). Každý z nich najde své uplatnění.
Kromě mobilní elektroniky se skupina lithium-iontových baterií používá v následujících aplikacích.
- ruční elektrické nářadí;
- přenosné zdravotnické vybavení;
- nepřerušitelné zdroje napájení;
- bezpečnostní systémy;
- moduly nouzového osvětlení;
- solární elektrárny;
- elektromobily a elektrokola.
Vzhledem k neustálému pokroku v lithium-iontové technologii a úspěchu velkokapacitních baterií malých rozměrů lze předpokládat, že se spektrum použití těchto baterií bude i nadále rozšiřovat.
Označování
Lithium-iontové baterie jsou označeny na vnějším krytu výrobku a kódování se může v jednotlivých velikostech výrazně lišit. Společný standard pro všechny výrobce baterií zatím nebyl vytvořen, ale přesto je možné se v nejdůležitějších parametrech orientovat samostatně.
Písmena v řádku označují typ článku a použité materiály: první písmeno I označuje lithium-iontovou technologii, další písmeno (C, M, F nebo N) určuje chemické složení, třetí písmeno R znamená, že článek je dobíjecí.
Čísla v označení velikosti udávají velikost baterie v milimetrech: první dvě čísla udávají průměr a další dvě délku. Například 18650 označuje průměr 18 mm a délku 65 mm, 0 označuje válcový tvar.
Poslední písmena a číslice v řádku představují označení kapacity specifické pro výrobce. Neexistují ani jednotné normy pro uvádění data výroby.
