Nøgleelementet i elektroniske enheders mobilitet er det genopladelige batteri (batteri). Stigende krav om at sikre længst mulig autonomi er drivkraften bag den løbende forskning på dette område og fører til nye teknologiske løsninger.
Der blev introduceret et alternativ til de almindeligt anvendte Ni-Cd- og Ni-MH-batterier, først lithiumbatterier og derefter de mere avancerede lithiumionbatterier.
Indhold
Historie
De første batterier af denne type blev udviklet i 1970'erne. De blev straks efterspurgt på grund af deres forbedrede ydeevne. Celleanoden var fremstillet af metallet lithium, hvis egenskaber gjorde det muligt at øge energitætheden. På denne måde blev litiumbatterier udviklet.
De nye batterier havde en stor ulempe - en øget risiko for eksplosion og antændelse. Årsagen var dannelsen af en lithiumfilm på elektrodernes overflade, hvilket førte til ustabilitet i temperaturen. Ved maksimal belastning kan batteriet eksplodere.
En forfinelse af teknologien førte til, at man gik bort fra rent lithium i batterikomponenterne til fordel for brugen af positivt ladede ioner. Lithium-ion-batteriet viste sig at være en vellykket løsning.
Denne type batteri har en større sikkerhedsmargin på grund af en lidt lavere energitæthed, men teknologiske fremskridt har gjort det muligt at minimere ulempen.
Anordningen
Indførelsen af lithium-ion-batterier i forbrugerelektronik har fået et gennembrud med udviklingen af et batteri med en katode af kulstofmateriale (grafit) og en anode af koboltoxid.
Ved udladningsprocessen fjernes lithiumioner fra katoden og indarbejdes i koboltoxidet i den modsatte elektrode; under opladning foregår processen i den modsatte retning. På denne måde skaber lithiumionerne den elektriske strøm ved at bevæge sig fra den ene elektrode til den anden.
Li-Ion-batterier fremstilles i cylindrisk og prismatisk design. I den cylindriske konstruktion er to bånd af flade elektroder adskilt af elektrolytimprægneret materiale rullet sammen og placeret i et forseglet metalhus. Katodematerialet er påført på aluminiumfolie og anodematerialet på kobberfolie.
Batteriets prismatiske design opnås ved at stable rektangulære plader oven på hinanden. Denne form på batteriet gør det muligt at gøre den elektroniske enhed tættere. Prismatiske batterier fås også med spiralformede elektroder, der er snoet i en spiral.
Drift og levetid
Lang, pålidelig og sikker drift af lithium-ion-batterier afhænger af korrekt brug, ellers forkortes ikke kun batteriets levetid, men kan også føre til negative konsekvenser.
Operation
Det vigtigste krav til driften af Li-Ion-batterier er temperaturen - overophedning skal undgås. Høje temperaturer kan forårsage maksimal skade, og overophedning kan forårsages af en ekstern kilde samt af stressende opladnings- og afladningspraksis.
Opvarmning til 45 °C vil f.eks. reducere batteriets evne til at holde en opladning med op til 2 gange. Denne temperatur kan nemt opnås ved at udsætte enheden for solen i længere tid eller ved at køre energikrævende programmer.
Hvis produktet overophedes, anbefales det at placere det på et køligt sted, helst med batteriet slukket og fjernet.
I sommervarmen bør batteriets energisparetilstand, som findes på de fleste mobile enheder, bruges for at holde batteriet i topform.
Lave temperaturer har også en negativ effekt på Li-Ion-batterier, idet batteriet ved temperaturer under -4 °C ikke længere kan levere sin fulde kapacitet.
Kulde er dog ikke lige så skadeligt for Li-Ion-batterier som høje temperaturer og vil oftest ikke forårsage permanente skader. Selv om batteriet genvinder sin fulde ydeevne efter opvarmning til stuetemperatur, skal du ikke glemme tabet af kapacitet i kulde.
En anden tommelfingerregel for Li-Ion-batterier er, at de ikke må aflades dybt. Mange tidligere generationer af batterier havde en hukommelseseffekt, som gjorde det nødvendigt at aflade dem til nul og derefter oplade dem fuldt ud. Li-Ion-batterier har ikke denne effekt, idet lejlighedsvis fuld afladning ikke har nogen skadelige virkninger, men kontinuerlig dyb afladning er skadelig. Det anbefales, at opladeren tilsluttes med et opladningsniveau på 30 %.
Livstid
Forkert brug af Li-Ion-batterier kan forkorte deres levetid med en faktor 10 til 12. Dette udtryk er direkte relateret til antallet af opladningscyklusser. Det anslås, at Li-Ion-batterier kan bruges i mellem 500 og 1000 cyklusser i fuldt afladet tilstand. En højere procentdel af den resterende opladning før næste opladning vil øge batteriets levetid betydeligt.
Da Li-Ion-batteriernes levetid i høj grad afhænger af driftsbetingelserne, er det ikke muligt at angive en nøjagtig forventet levetid for disse batterier. I gennemsnit kan du forvente, at et batteri af denne type holder i 7-10 år, hvis de nødvendige betingelser overholdes.
Opladningsproces
Undgå at sætte batteriet i opladeren i for lang tid, når du oplader det. Lithium-ion-batteriet fungerer normalt med en spænding på højst 3,6 volt. Opladere anvender 4,2 V på batteriets indgang under opladningsprocessen. Hvis opladningstiden overskrides, kan der opstå uønskede elektrokemiske reaktioner i batteriet, hvilket fører til overophedning med alle de deraf følgende konsekvenser.
Udviklerne har taget hensyn til denne funktion - sikkerheden ved opladning af moderne Li-Ion-batterier styres af en særlig indbygget enhed, der stopper opladningsprocessen, hvis spændingen stiger over det tilladte niveau.
For litiumbatterier er en totrinsopladning den korrekte måde at oplade dem på. I første trin oplades batteriet ved at levere en konstant opladestrøm, og i andet trin leveres en konstant spænding og opladestrømmen reduceres gradvist. Denne algoritme er hardwareimplementeret i de fleste batteriopladere til husholdningsbrug.
Opbevaring og bortskaffelse
Et lithium-ion-batteri kan opbevares i lang tid med en selvafladning på 10-20 % om året. Produktets egenskaber (nedbrydning) forringes dog gradvist med tiden.
Batteriet skal opbevares ved +5 °C til +25 °C og beskyttes mod fugt. Undgå kraftige vibrationer, stød eller kontakt med åben ild.
Genanvendelse af lithium-ion-celler skal foretages af genanvendelsesanlæg med passende tilladelse. Ca. 80 % af materialerne i genbrugte batterier kan genbruges i produktionen af nye batterier.
Sikkerhed
Et lithium-ion-batteri, selv i sin miniaturestørrelse, indebærer en risiko for eksplosiv selvantændelse. Denne type batteris særlige karakteristika kræver sikkerhedsforanstaltninger i alle faser, fra design til produktion og opbevaring.
For at forbedre sikkerheden i Li-Ion-batterier placeres der under fremstillingen et lille elektronisk printkort, et kontrol- og styringssystem, der er designet til at forhindre overbelastning og overophedning, inde i batteriet. Den elektroniske mekanisme øger kredsløbets modstand, når temperaturen stiger over en forudbestemt grænse. Nogle batterimodeller har en indbygget mekanisk kontakt, der åbner kredsløbet, når trykket i batteriet stiger.
Batterihusene er også ofte udstyret med en sikkerhedsventil, som udløser trykket i nødstilfælde.
Fordele og ulemper ved litiumbatterier
Fordelene ved denne type batteri er:
- høj energitæthed;
- ingen hukommelseseffekt;
- lang levetid;
- lav selvafladningshastighed;
- ingen vedligeholdelse er nødvendig;
- intet behov for vedligeholdelse; intet behov for vedligeholdelse; intet behov for vedligeholdelse; intet behov for vedligeholdelse.
Litiumbatteriet har også ulemper, f.eks.
- risiko for selvantændelse;
- højere omkostninger end sine forgængere;
- behovet for en indbygget controller;
- uhensigtsmæssigheden af dyb udtømning.
Teknologien for Li-Ion-batterier forbedres konstant, og mange mangler er efterhånden ved at være fortid.
Anvendelser
Den høje energitæthed af lithium-ion-batterier bestemmer deres hovedanvendelsesområde - mobile elektroniske enheder: bærbare computere, tablets, smartphones, videokameraer, kameraer, navigationssystemer, forskellige indbyggede sensorer og andre produkter.
Disse batteriers cylindriske form gør det muligt at anvende dem i lommelygter, fastnettelefoner og andre apparater, som tidligere brugte energi fra engangsbatterier.
Princippet for lithium-ion-batteriernes opbygning findes i flere varianter, som adskiller sig fra hinanden ved de anvendte materialer (lithium-kobolt, lithium-mangan, lithium-nikkel-mangan-kobolt-oxid osv.). Hver finder sin egen anvendelse.
Ud over mobilelektronik anvendes lithium-ion-batterigruppen i følgende applikationer
- håndholdt elværktøj;
- bærbart medicinsk udstyr;
- afbrydelsesfri strømforsyning;
- sikkerhedssystemer;
- nødbelysningsmoduler;
- solkraftværker;
- elbiler og elcykler.
I betragtning af de stadige fremskridt inden for lithium-ion-teknologien og succesen med små batterier med høj kapacitet kan vi forvente, at anvendelsesområdet for sådanne batterier fortsat vil blive udvidet.
Mærkning
Litium-ion-batterier er mærket på produktets ydre hylster, og koden kan variere markant fra størrelse til størrelse. Der er endnu ikke udviklet en fælles standard for alle batteriproducenter, men det er stadig muligt at forstå de vigtigste parametre på egen hånd.
Bogstaverne i rækken angiver celletypen og de anvendte materialer: det første bogstav I angiver lithium-ion-teknologien, det næste bogstav (C, M, F eller N) angiver den kemiske sammensætning, og det tredje bogstav R betyder, at cellen er genopladelig.
Tallene i størrelsesbetegnelsen angiver batteriets størrelse i millimeter: de to første tal angiver diameteren og de to andre tallene længden. F.eks. angiver 18650, at diameteren er 18 mm og længden 65 mm, og 0 angiver den cylindriske formfaktor.
De sidste bogstaver og tal i rækken er producentspecifikke kapacitetsmærker. Der findes heller ingen ensartede standarder for angivelse af fremstillingsdatoen.
