Elektroonikaseadmete mobiilsuse võtmeelemendiks on laetav aku (patarei). Kasvavad nõudmised tagada nende võimalikult pikk autonoomia stimuleerivad pidevat uurimistööd selles valdkonnas ja viivad uute tehnoloogiliste lahenduste esilekerkimiseni.
Laialdaselt kasutatavad nikkel-kaadmium (Ni-Cd) ja nikkel-metallhüdriid (Ni-MH) akud, ilmus alternatiiv - kõigepealt liitiumakud ja seejärel täiustatud liitiumioonakud (Li-ion).
Sisu
Ajalugu
Esimesed sedalaadi akud ilmusid 1970. aastatel. Tänu paranenud omadustele muutusid need kohe nõutuks. Elementide anood valmistati liitiummetallist, mille omadused võimaldasid energiatihedust tõsta. Nii tekkisid liitiumakud.
Uutel akudel oli märkimisväärne puudus – suurenenud plahvatus- ja süttimisoht. Põhjuseks oli liitiumkile moodustumine elektroodide pinnale, mis viis temperatuuri stabiilsuse rikkumiseni. Maksimaalse koormuse hetkel võib aku plahvatada.
Tehnoloogiat täiustati, mille tulemusel loobuti akukomponentides puhtast liitiumist, eelistades selle positiivselt laetud ioone.Edukaks lahenduseks osutus liitiumioonaku.
Seda tüüpi ioonakudele on iseloomulik suurem ohutus, mis saavutatakse vähesel määral energiatiheduse vähenemisega, kuid pidev tehnoloogiline areng on võimaldanud selle indikaatori kadu minimeerida.
Seade
Liitium-ioonakude kasutuselevõtt olmeelektroonikas on saavutanud läbimurde süsinikmaterjalist (grafiidist) katoodiga ja koobaltoksiidi anoodiga aku väljatöötamisega.
Aku tühjenemise käigus eemaldatakse liitiumioonid katoodi materjalist ja lülitatakse vastaselektroodi koobaltoksiidi sisse; laadimise ajal toimub protsess vastupidises suunas. Seega tekib elektrivool liitiumioonide liikumisel ühelt elektroodilt teisele.
Li-Ion akud on valmistatud silindrilise ja prismakujulise kujundusega. Silindrilises konstruktsioonis on kaks elektrolüüdiga immutatud materjaliga eraldatud lamedat elektroodi linti kokku keeratud ja asetatud suletud metallkorpusesse. Katoodimaterjal kantakse alumiiniumfooliumile ja anoodimaterjal vaskfooliumile.
Aku prismaatiline disain saadakse ristkülikukujuliste plaatide üksteise peale virnastamisel. Selline aku kuju võimaldab muuta elektroonikaseadme paigutuse tihedamaks. Prismapatareid on saadaval ka spiraaliks keeratud spiraalelektroodidega.
Operatsioon ja eluiga
Liitium-ioonakude pikk, täielik ja ohutu töö on võimalik, kui järgitakse tööreegleid, nende eiramine mitte ainult ei lühenda toote kasutusiga, vaid võib põhjustada ka negatiivseid tagajärgi.
Operatsioon
Li-Ion akude töö põhinõue puudutab temperatuuri - ärge lubage ülekuumenemist. Kõrge temperatuur võib põhjustada maksimaalset kahju ning ülekuumenemist võivad põhjustada välisallikas ning aku pingelised laadimis- ja tühjenemisrežiimid.
Näiteks kuni 45°C kuumutamine vähendab aku laetuse säilivusvõimet 2 korda. Seda temperatuuri on lihtne saavutada, kui seade on pikka aega päikese käes või kui töötab energiamahukaid rakendusi.
Kui toode kuumeneb üle, on soovitatav see asetada jahedasse kohta, eelistatavalt välja lülitatud ja eemaldatud akuga.
Aku jõudluse parimaks säilitamiseks suvekuumuses peaksite kasutama energiasäästurežiimi, mis on saadaval enamikes mobiilseadmetes.
Madal temperatuur avaldab negatiivset mõju ka ioonakudele, alla -4°C temperatuuril ei suuda aku enam täisvõimsust väljastada.
Kuid külm pole Li-Ion akudele nii halb kui kõrge temperatuur ega põhjusta enamasti pöördumatuid kahjustusi. Hoolimata asjaolust, et pärast toatemperatuurini soojenemist taastub aku jõudlus täielikult, ei tohiks unustada võimsuse vähenemist külmas.
Veel üks soovitus liitiumioonakude tööks – ärge laske neil sügavalt tühjeneda. Paljudel eelmiste põlvkondade akudel oli mäluefekt, mis nõudis tühjakslaadimist nullini, millele järgnes täielik laadimine. Li-Ion akudel seda efekti ei ole ja juhuslikel täislahendustel pole kahjulikke mõjusid, kuid pidev sügavlahendus on kahjulik. Laadija on soovitatav ühendada 30% laadimistasemega.
Eluaeg
Li-Ion akude ebaõige kasutamine võib lühendada nende eluiga 10-12 korda. See eluiga on otseselt seotud laadimistsüklite arvuga. Arvatakse, et Li-Ion tüüpi akud taluvad täieliku tühjenemisega 500–1000 tsüklit. Kõrgem järelejäänud laetuse protsent enne järgmist laadimist pikendab oluliselt aku kasutusaega.
Kuna Li-Ion akude eluea määravad suures osas ära töötingimused, siis nende akude täpset eluiga on võimatu anda.Keskmiselt võib seda tüüpi aku vastu pidada 7-10 aastat, kui järgitakse nõutavaid reegleid.
Laadimisprotsess
Vältige aku ühendamist laadijaga liiga pikaks ajaks laadimise ajal. Liitiumioonaku töötab normaalselt pingega, mis ei ületa 3,6 volti. Akulaadijad annavad laadimisprotsessi ajal akule 4,2 volti. Laadimisaja ületamisel võivad akus alata soovimatud elektrokeemilised reaktsioonid, mis põhjustavad ülekuumenemist koos kõigi sellest tulenevate tagajärgedega.
Arendajad on sellise omadusega arvestanud – tänapäevaste Li-Ion akude laadimise ohutust kontrollib spetsiaalne sisseehitatud seade, mis peatab laadimisprotsessi, kui pinge ületab lubatud piiri.
Liitiumakude puhul on õige laadimisviis kaheastmeline laadimisviis. Esimene etapp on aku laadimine, tagades pideva laadimisvoolu, teine etapp on pideva pinge tagamine ja laadimisvoolu järkjärguline vähendamine. See algoritm on riistvara, mida rakendatakse enamikus majapidamislaadijates.
Ladustamine ja utiliseerimine
Liitiumioonakut saab säilitada üsna kaua, isetühjenemine on 10-20% aastas. Kuid samal ajal toimub toote omaduste järkjärguline vähenemine (lagunemine).
Sellist akut on soovitatav hoida niiskuskindlas kohas temperatuuril +5 ... +25°C. Tugev vibratsioon, põrutused ja lahtise leegi lähedus on vastuvõetamatud.
Liitiumioonelementide ringlussevõtu protsess tuleks läbi viia spetsiaalsetes rajatistes, millel on vastav litsents. Ligikaudu 80% taaskasutatud akude materjalidest saab taaskasutada uute akude tootmisel.
Ohutus
Liitiumioonakudel on isegi oma miniatuurses suuruses plahvatusohtlik isesüttimise oht.Seda tüüpi akude selline eripära nõuab ohutusmeetmeid kõigil etappidel, alates projekteerimisest kuni tootmise ja ladustamiseni.
Li-Ion akude ohutuse parandamiseks asetatakse nende valmistamise ajal nende korpusesse väike elektrooniline trükkplaat, juhtimis- ja juhtimissüsteem, mis on loodud ülekoormuse ja ülekuumenemise vältimiseks. Elektrooniline mehhanism suurendab vooluahela takistust, kui temperatuur tõuseb üle etteantud piiri. Mõnel akumudelil on sisseehitatud mehaaniline lüliti, mis katkestab vooluringi, kui rõhk aku sees kasvab.
Samuti on akukorpustel sageli kaitseklapp, mis avarii korral rõhku leevendab.
Liitiumpatareide plussid ja miinused
Seda tüüpi aku eelised on järgmised:
- kõrge energiatihedus;
- mäluefekt puudub;
- pikk kasutusiga;
- madal isetühjenemise määr;
- hooldust pole vaja;
- muutumatute tööparameetrite tagamine suhteliselt laias temperatuurivahemikus.
Liitiumakul on ka puudusi, näiteks:
- isesüttimise oht;
- kõrgemad kulud kui tema eelkäijad;
- vajadus sisseehitatud kontrolleri järele;
- sügava tühjenemise soovimatus.
Li-Ion akude tootmistehnoloogia paraneb pidevalt, paljud puudused muutuvad järk-järgult minevikku.
Rakendused
Liitium-ioonakude suure energiatiheduse indikaator määrab nende peamise kasutusvaldkonna – mobiilsed elektroonikaseadmed: sülearvutid, tahvelarvutid, nutitelefonid, videokaamerad, kaamerad, navigatsioonisüsteemid, erinevad sisseehitatud andurid ja hulk muid tooteid.
Nende patareide silindrilise kuju olemasolu võimaldab neid kasutada taskulampides, lauatelefonides ja muudes seadmetes, mis varem tarbisid energiat ühekordselt kasutatavatest akudest.
Aku konstruktsiooni liitiumioonprintsiibil on mitu varianti, tüübid erinevad kasutatavate materjalide tüübi poolest (liitium-koobalt, liitium-mangaan, liitium-nikkel-mangaan-koobaltoksiid jne). Igaüks neist leiab oma rakendusala.
Lisaks mobiilsele elektroonikale kasutatakse liitiumioonakude rühma järgmistes rakendustes:
- käeshoitavad elektrilised tööriistad;
- kaasaskantavad meditsiiniseadmed;
- katkematud toiteallikad;
- turvasüsteemid;
- avariivalgustuse moodulid;
- päikeseelektrijaamad;
- elektriautod ja elektrijalgrattad.
Arvestades liitiumioontehnoloogia pidevat täiustamist ja edusamme väikeses mahus suure mahutavusega akude loomisel, võime ennustada selliste akude kasutuse laienemist.
Märgistus
Liitiumioonakud on märgistatud aku väliskorpusel ja kodeering võib olenevalt suurusest oluliselt erineda. Ühtset standardit kõigi patareide märgistamise tootjate jaoks pole veel välja töötatud, kuid siiski on võimalik kõige olulisematest parameetritest iseseisvalt aru saada.
Tähed real näitavad elemendi tüüpi ja kasutatud materjale: esimene täht I tähistab liitiumioontehnoloogiat, järgmine täht (C, M, F või N) määrab keemilise koostise, kolmas täht R tähendab, et element on laetav.
Suuruse tähises olevad numbrid näitavad aku suurust millimeetrites: kaks esimest numbrit näitavad läbimõõtu ja kaks teist pikkust. Näiteks 18650 näitab, et läbimõõt on 18 mm ja pikkus on 65 mm, 0 tähistab silindrilist kujutegurit.
Rea viimased tähed ja numbrid on tootjapõhised võimsusmärgised. Samuti puuduvad ühtsed standardid valmistamiskuupäeva märkimiseks.
