Το βασικό στοιχείο της κινητικότητας των ηλεκτρονικών συσκευών είναι η επαναφορτιζόμενη μπαταρία (μπαταρία). Οι αυξανόμενες απαιτήσεις για την εξασφάλιση της μεγαλύτερης δυνατής αυτονομίας οδηγούν στη συνεχή έρευνα στον τομέα αυτό και οδηγούν σε νέες τεχνολογικές λύσεις.
Παρουσιάστηκε μια εναλλακτική λύση για τις ευρέως χρησιμοποιούμενες μπαταρίες Ni-Cd και Ni-MH, αρχικά οι μπαταρίες λιθίου και στη συνέχεια οι πιο προηγμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Περιεχόμενα
Ιστορία
Οι πρώτες μπαταρίες αυτού του είδους προέκυψαν τη δεκαετία του 1970. Είχαν αμέσως ζήτηση λόγω της βελτιωμένης απόδοσής τους. Η άνοδος της κυψέλης κατασκευάστηκε από το μέταλλο λίθιο, οι ιδιότητες του οποίου επέτρεψαν την αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας. Με αυτόν τον τρόπο αναπτύχθηκαν οι μπαταρίες λιθίου.
Οι νέες μπαταρίες είχαν ένα σημαντικό μειονέκτημα - αυξημένο κίνδυνο έκρηξης και ανάφλεξης. Ο λόγος ήταν ο σχηματισμός ενός φιλμ λιθίου στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων, το οποίο οδήγησε σε θερμοκρασιακή αστάθεια. Στο μέγιστο φορτίο, η μπαταρία μπορεί να εκραγεί.
Η τελειοποίηση της τεχνολογίας οδήγησε στην εγκατάλειψη του καθαρού λιθίου στα συστατικά της μπαταρίας υπέρ της χρήσης θετικά φορτισμένων ιόντων. Η μπαταρία ιόντων λιθίου αποδείχθηκε επιτυχής λύση.
Αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει υψηλότερο περιθώριο ασφαλείας λόγω της ελαφρώς χαμηλότερης ενεργειακής πυκνότητας, αλλά η πρόοδος της τεχνολογίας έχει καταστήσει δυνατή την ελαχιστοποίηση του μειονεκτήματος.
Η συσκευή
Η εισαγωγή των μπαταριών ιόντων λιθίου στα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης σημείωσε σημαντική πρόοδο με την ανάπτυξη μιας μπαταρίας με κάθοδο από υλικό άνθρακα (γραφίτη) και άνοδο από οξείδιο του κοβαλτίου.
Η διαδικασία εκφόρτισης αφαιρεί ιόντα λιθίου από το υλικό της καθόδου και τα ενσωματώνει στο οξείδιο του κοβαλτίου του αντίθετου ηλεκτροδίου- κατά τη φόρτιση η διαδικασία εξελίσσεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Με αυτόν τον τρόπο, τα ιόντα λιθίου δημιουργούν το ηλεκτρικό ρεύμα μετακινούμενα από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο.
Οι μπαταρίες Li-Ion παράγονται σε κυλινδρικό και πρισματικό σχεδιασμό. Στον κυλινδρικό σχεδιασμό, δύο ταινίες επίπεδων ηλεκτροδίων που χωρίζονται από υλικό εμποτισμένο με ηλεκτρολύτη τυλίγονται σε ρολό και τοποθετούνται σε σφραγισμένο μεταλλικό περίβλημα. Το υλικό της καθόδου εφαρμόζεται σε φύλλο αλουμινίου και το υλικό της ανόδου σε φύλλο χαλκού.
Ο πρισματικός σχεδιασμός της μπαταρίας επιτυγχάνεται με τη στοίβαξη ορθογώνιων πλακών η μία πάνω στην άλλη. Αυτό το σχήμα της μπαταρίας καθιστά δυνατή την πυκνότερη διάταξη της ηλεκτρονικής συσκευής. Οι πρισματικές μπαταρίες διατίθενται επίσης με συσπειρωμένα ηλεκτρόδια, που έχουν συσπειρωθεί σε σπείρα.
Λειτουργία και διάρκεια ζωής
Η μακροχρόνια, αξιόπιστη και ασφαλής λειτουργία των μπαταριών ιόντων λιθίου εξαρτάται από τη σωστή χρήση, η μη τήρηση της οποίας όχι μόνο θα μειώσει τη διάρκεια ζωής του προϊόντος, αλλά μπορεί επίσης να οδηγήσει σε αρνητικές συνέπειες.
Επιχείρηση
Η βασική απαίτηση για τη λειτουργία των μπαταριών Li-Ion είναι η θερμοκρασία - πρέπει να αποφεύγεται η υπερθέρμανση. Οι υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να προκαλέσουν μέγιστη βλάβη και η υπερθέρμανση μπορεί να προκληθεί από εξωτερική πηγή καθώς και από αγχωτικές πρακτικές φόρτισης και εκφόρτισης.
Για παράδειγμα, η θέρμανση στους 45°C θα μειώσει την ικανότητα της μπαταρίας να διατηρήσει τη φόρτιση έως και 2 φορές. Αυτή η θερμοκρασία μπορεί εύκολα να επιτευχθεί με την έκθεση της συσκευής στον ήλιο για μεγάλα χρονικά διαστήματα ή με την εκτέλεση ενεργοβόρων εφαρμογών.
Εάν το προϊόν υπερθερμανθεί, συνιστάται να το τοποθετήσετε σε δροσερό μέρος, κατά προτίμηση με την μπαταρία απενεργοποιημένη και αφαιρεμένη.
Στη ζέστη του καλοκαιριού, η λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας της μπαταρίας, η οποία είναι διαθέσιμη στις περισσότερες κινητές συσκευές, θα πρέπει να χρησιμοποιείται για να διατηρείται η καλύτερη δυνατή λειτουργία της.
Οι χαμηλές θερμοκρασίες έχουν επίσης αρνητική επίδραση στις μπαταρίες Li-Ion, σε θερμοκρασίες κάτω των -4°C η μπαταρία δεν μπορεί πλέον να αποδώσει την πλήρη χωρητικότητά της.
Ωστόσο, το κρύο δεν είναι τόσο επιζήμιο για τις μπαταρίες Li-Ion όσο οι υψηλές θερμοκρασίες και τις περισσότερες φορές δεν προκαλεί μόνιμη βλάβη. Παρόλο που η μπαταρία θα ανακτήσει πλήρως την απόδοσή της μετά την προθέρμανση σε θερμοκρασία δωματίου, δεν πρέπει να ξεχνάτε την απώλεια χωρητικότητας στο κρύο.
Ένας άλλος κανόνας για τις μπαταρίες Li-Ion είναι να μην τις αφήνετε να αποφορτιστούν βαθιά. Πολλές προηγούμενες γενιές μπαταριών είχαν ένα φαινόμενο μνήμης που απαιτούσε την εκφόρτιση τους στο μηδέν και στη συνέχεια την πλήρη φόρτιση τους. Οι μπαταρίες Li-Ion δεν έχουν αυτό το αποτέλεσμα, με περιστασιακές πλήρεις εκφορτίσεις να μην έχουν αρνητικές επιπτώσεις, αλλά οι συνεχείς βαθιές εκφορτίσεις είναι επιβλαβείς. Συνιστάται ο φορτιστής να είναι συνδεδεμένος σε επίπεδο φόρτισης 30%.
Διάρκεια ζωής
Η λανθασμένη χρήση των μπαταριών Li-Ion μπορεί να μειώσει τη διάρκεια ζωής τους κατά 10 έως 12 φορές. Ο όρος αυτός σχετίζεται άμεσα με τον αριθμό των κύκλων φόρτισης. Εκτιμάται ότι οι μπαταρίες Li-Ion μπορούν να χρησιμοποιηθούν για 500 έως 1000 κύκλους σε κατάσταση πλήρους αποφόρτισης. Ένα υψηλότερο ποσοστό εναπομένουσας φόρτισης πριν από την επόμενη φόρτιση θα αυξήσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Καθώς η διάρκεια ζωής των μπαταριών Li-Ion καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες λειτουργίας, δεν είναι δυνατόν να δοθεί ακριβές προσδόκιμο ζωής για αυτές τις μπαταρίες. Κατά μέσο όρο, μπορείτε να περιμένετε από μια μπαταρία αυτού του τύπου να διαρκέσει 7-10 χρόνια, εάν τηρούνται οι απαιτούμενες προϋποθέσεις.
Διαδικασία φόρτισης
Αποφεύγετε να συνδέετε την μπαταρία στον φορτιστή για υπερβολικό χρονικό διάστημα κατά τη φόρτιση. Η μπαταρία ιόντων λιθίου θα λειτουργεί κανονικά με τάση που δεν υπερβαίνει τα 3,6 βολτ. Οι φορτιστές εφαρμόζουν 4,2V στην είσοδο της μπαταρίας κατά τη διαδικασία φόρτισης. Εάν ο χρόνος φόρτισης ξεπεραστεί, μπορεί να ξεκινήσουν ανεπιθύμητες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στη μπαταρία, οι οποίες θα οδηγήσουν σε υπερθέρμανση με όλες τις επακόλουθες συνέπειες.
Οι προγραμματιστές έχουν λάβει υπόψη τους ένα τέτοιο χαρακτηριστικό - η ασφάλεια της φόρτισης των σύγχρονων μπαταριών Li-Ion ελέγχεται από μια ειδική ενσωματωμένη συσκευή που διακόπτει τη διαδικασία φόρτισης εάν η τάση υπερβεί το επιτρεπτό επίπεδο.
Για τις μπαταρίες λιθίου, η διαδικασία φόρτισης σε δύο στάδια είναι ο σωστός τρόπος φόρτισης. Το πρώτο στάδιο είναι η φόρτιση της μπαταρίας με την παροχή σταθερού ρεύματος φόρτισης, το δεύτερο στάδιο είναι η παροχή σταθερής τάσης και η σταδιακή μείωση του ρεύματος φόρτισης. Αυτός ο αλγόριθμος είναι ενσωματωμένος στους περισσότερους οικιακούς φορτιστές μπαταριών.
Αποθήκευση και διάθεση
Μια μπαταρία ιόντων λιθίου μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, με ρυθμό αυτοεκφόρτισης 10-20% ανά έτος. Ωστόσο, τα χαρακτηριστικά του προϊόντος (υποβάθμιση) επιδεινώνονται σταδιακά με την πάροδο του χρόνου.
Η μπαταρία πρέπει να αποθηκεύεται στους +5°C έως +25°C και να προστατεύεται από την υγρασία. Αποφύγετε τις ισχυρές δονήσεις, τους κραδασμούς ή την επαφή με ανοιχτές φλόγες.
Η ανακύκλωση των κυψελών ιόντων λιθίου πρέπει να πραγματοποιείται από κατάλληλα αδειοδοτημένες εγκαταστάσεις ανακύκλωσης. Περίπου το 80% των υλικών των ανακυκλωμένων μπαταριών μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν στην παραγωγή νέων μπαταριών.
Ασφάλεια
Μια μπαταρία ιόντων λιθίου, ακόμη και στο μικροσκοπικό της μέγεθος, ενέχει τον κίνδυνο εκρηκτικής αυτοανάφλεξης. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτού του τύπου μπαταρίας απαιτεί προφυλάξεις ασφαλείας σε όλα τα στάδια, από το σχεδιασμό έως την παραγωγή και την αποθήκευση.
Για τη βελτίωση της ασφάλειας των μπαταριών Li-Ion, κατά την κατασκευή τοποθετείται στο εσωτερικό της μπαταρίας μια μικρή ηλεκτρονική πλακέτα, ένα σύστημα ελέγχου και διαχείρισης σχεδιασμένο για την αποφυγή υπερφόρτωσης και υπερθέρμανσης. Ο ηλεκτρονικός μηχανισμός αυξάνει την αντίσταση του κυκλώματος όταν η θερμοκρασία αυξάνεται πάνω από ένα προκαθορισμένο όριο. Ορισμένα μοντέλα μπαταριών διαθέτουν ενσωματωμένο μηχανικό διακόπτη που ανοίγει το κύκλωμα όταν αυξάνεται η πίεση στο εσωτερικό της μπαταρίας.
Τα περιβλήματα των μπαταριών είναι επίσης συχνά εξοπλισμένα με βαλβίδα ασφαλείας, η οποία απελευθερώνει την πίεση σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μπαταριών λιθίου
Τα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου μπαταρίας είναι:
- υψηλή ενεργειακή πυκνότητα,
- καμία επίδραση μνήμης,
- μεγάλη διάρκεια ζωής,
- χαμηλό ποσοστό αυτοεκφόρτισης,
- δεν απαιτείται συντήρηση,
- δεν χρειάζεται συντήρηση- δεν χρειάζεται συντήρηση- δεν χρειάζεται συντήρηση.
Η μπαταρία λιθίου έχει επίσης μειονεκτήματα, όπως
- κίνδυνος αυτοανάφλεξης,
- υψηλότερο κόστος από τους προκατόχους του,
- την ανάγκη για ενσωματωμένο ελεγκτή,
- το ανεπιθύμητο της βαθιάς εκφόρτισης.
Η τεχνολογία των μπαταριών Li-Ion βελτιώνεται συνεχώς, πολλές ελλείψεις γίνονται σταδιακά παρελθόν.
Εφαρμογές
Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου καθορίζει το κύριο πεδίο εφαρμογής τους - κινητές ηλεκτρονικές συσκευές: φορητοί υπολογιστές, ταμπλέτες, smartphones, βιντεοκάμερες, φωτογραφικές μηχανές, συστήματα πλοήγησης, διάφοροι ενσωματωμένοι αισθητήρες και άλλα προϊόντα.
Η ύπαρξη του κυλινδρικού μορφότυπου αυτών των μπαταριών επιτρέπει τη χρήση τους σε φακούς, σταθερά τηλέφωνα και άλλες συσκευές που προηγουμένως κατανάλωναν ενέργεια από μπαταρίες μιας χρήσης.
Η αρχή κατασκευής της μπαταρίας ιόντων λιθίου έχει διάφορες ποικιλίες, οι οποίες διαφέρουν ως προς το είδος των υλικών που χρησιμοποιούνται (λίθιο-κοβάλτιο, λίθιο-μαγγάνιο, λίθιο-νικέλιο-μαγγάνιο-οξείδιο του κοβαλτίου κ.λπ.). Το καθένα βρίσκει τη δική του εφαρμογή.
Εκτός από τα κινητά ηλεκτρονικά, η ομάδα μπαταριών ιόντων λιθίου χρησιμοποιείται στις ακόλουθες εφαρμογές
- ηλεκτρικά εργαλεία χειρός,
- φορητός ιατρικός εξοπλισμός,
- αδιάλειπτα τροφοδοτικά,
- συστήματα ασφαλείας,
- μονάδες φωτισμού έκτακτης ανάγκης,
- σταθμούς ηλιακής ενέργειας,
- ηλεκτρικά αυτοκίνητα και ηλεκτρικά ποδήλατα.
Δεδομένης της σταθερής προόδου στην τεχνολογία ιόντων λιθίου και της επιτυχίας των μπαταριών υψηλής χωρητικότητας και μικρού μεγέθους, μπορούμε να προβλέψουμε ότι το φάσμα των εφαρμογών για τέτοιες μπαταρίες θα συνεχίσει να διευρύνεται.
Επισήμανση
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου φέρουν σήμανση στο εξωτερικό περίβλημα του προϊόντος και η κωδικοποίηση μπορεί να διαφέρει σημαντικά από μέγεθος σε μέγεθος. Δεν έχει ακόμη αναπτυχθεί ένα κοινό πρότυπο για όλους τους κατασκευαστές μπαταριών, αλλά είναι ακόμη δυνατό να κατανοήσετε τις πιο σημαντικές παραμέτρους μόνοι σας.
Τα γράμματα στη σειρά υποδηλώνουν τον τύπο του στοιχείου και τα υλικά που χρησιμοποιούνται: το πρώτο γράμμα I υποδηλώνει την τεχνολογία ιόντων λιθίου, το επόμενο γράμμα (C, M, F ή N) προσδιορίζει τη χημική σύνθεση, το τρίτο γράμμα R σημαίνει ότι το στοιχείο είναι επαναφορτιζόμενο.
Οι αριθμοί στην ονομασία μεγέθους υποδεικνύουν το μέγεθος της μπαταρίας σε χιλιοστά: οι δύο πρώτοι αριθμοί υποδεικνύουν τη διάμετρο και οι άλλοι δύο το μήκος. Για παράδειγμα, το 18650 υποδεικνύει ότι η διάμετρος είναι 18 mm και το μήκος 65 mm, το 0 υποδεικνύει τον κυλινδρικό παράγοντα μορφής.
Τα τελευταία γράμματα και αριθμοί στη σειρά είναι ενδείξεις χωρητικότητας για τον κατασκευαστή. Δεν υπάρχουν επίσης ενιαία πρότυπα για την αναγραφή της ημερομηνίας κατασκευής.
