Elektronisten laitteiden liikkuvuuden keskeinen tekijä on ladattava akku (paristo). Kasvavat vaatimukset mahdollisimman pitkän autonomian takaamiseksi ajavat jatkuvaa tutkimusta tällä alalla ja johtavat uusiin teknologisiin ratkaisuihin.
Yleisesti käytetyille Ni-Cd- ja Ni-MH-akuille otettiin käyttöön vaihtoehto, ensin litiumakut ja sitten kehittyneemmät litiumioniakut.
Sisältö
Historia
Ensimmäiset tällaiset akut syntyivät 1970-luvulla. Niillä oli heti kysyntää niiden paremman suorituskyvyn ansiosta. Kennon anodi valmistettiin litiummetallista, jonka ominaisuuksien ansiosta energiatiheyttä voitiin lisätä. Näin kehitettiin litiumparistot.
Uusien akkujen suuri haittapuoli oli lisääntynyt räjähdys- ja syttymisriski. Syynä oli litiumkalvon muodostuminen elektrodien pinnalle, mikä johti lämpötilan epävakauteen. Maksimikuormituksessa akku voi räjähtää.
Tekniikan parantaminen johti siihen, että akun komponenteissa ei enää käytetty puhdasta litiumia vaan positiivisesti varattuja ioneja. Litiumioniakku osoittautui onnistuneeksi ratkaisuksi.
Tämäntyyppisen akun varmuusmarginaali on suurempi, koska sen energiatiheys on hieman alhaisempi, mutta tekniikan kehittymisen ansiosta haitta on voitu minimoida.
Laite
Litiumioniakkujen käyttöönotto kulutuselektroniikassa on ollut läpimurto, kun on kehitetty akku, jonka katodi on valmistettu hiilimateriaalista (grafiitista) ja anodi kobolttioksidista.
Purkausprosessi poistaa litiumioneja katodimateriaalista ja sisällyttää ne vastakkaisen elektrodin kobolttioksidiin; latauksen aikana prosessi tapahtuu päinvastaisessa suunnassa. Näin litiumionit luovat sähkövirran siirtymällä elektrodista toiseen.
Li-ion-akkuja valmistetaan sylinterimäisinä ja prismaattisina. Sylinterimäisessä mallissa kaksi litteistä elektrodeista koostuvaa nauhaa, jotka on erotettu toisistaan elektrolyyttikyllästetyllä materiaalilla, on rullattu kokoon ja sijoitettu suljettuun metallikoteloon. Katodimateriaali levitetään alumiinifoliolle ja anodimateriaali kuparifoliolle.
Akun prismaattinen rakenne saadaan aikaan pinoamalla suorakulmaisia levyjä päällekkäin. Tämä akun muoto mahdollistaa sen, että elektroniikkalaitteen ulkoasu on tiheämpi. Prismaattisia paristoja on saatavana myös kierretyillä elektrodeilla, jotka on kierretty spiraaliksi.
Toiminta ja käyttöikä
Litiumioniakkujen pitkä, luotettava ja turvallinen toiminta riippuu asianmukaisesta käytöstä, jonka laiminlyönti ei ainoastaan lyhennä tuotteen käyttöikää, vaan voi myös johtaa kielteisiin seurauksiin.
Operaatio
Li-ion-akkujen käytön tärkein vaatimus on lämpötila - ylikuumenemista on vältettävä. Korkeat lämpötilat voivat aiheuttaa suurimman mahdollisen vahingon, ja ylikuumeneminen voi johtua ulkoisesta lähteestä sekä rasittavista lataus- ja purkukäytännöistä.
Esimerkiksi kuumentaminen 45 °C:seen vähentää akun varauksenpitokykyä jopa 2 kertaa. Tämä lämpötila saavutetaan helposti, jos laite on pitkään auringossa tai jos se käyttää energiaintensiivisiä sovelluksia.
Jos tuote ylikuumenee, se on suositeltavaa sijoittaa viileään paikkaan, mieluiten niin, että akku on kytketty pois päältä ja irrotettu.
Kesähelteillä akun energiansäästötilaa, joka on käytettävissä useimmissa mobiililaitteissa, tulisi käyttää, jotta akku toimisi parhaalla mahdollisella tavalla.
Myös alhaisilla lämpötiloilla on kielteinen vaikutus Li-ion-akkuihin, sillä alle -4 °C:n lämpötiloissa akku ei enää pysty tuottamaan täyttä kapasiteettiaan.
Kylmä ei kuitenkaan vahingoita Li-ion-akkuja yhtä paljon kuin korkeat lämpötilat, eikä se useimmiten aiheuta pysyviä vaurioita. Vaikka akun suorituskyky palautuu täysin, kun se on lämmennyt huoneenlämpötilaan, kapasiteetin menetystä kylmässä ei pidä unohtaa.
Toinen Li-ion-akkujen nyrkkisääntö on välttää syväpurkauksia. Monissa aiempien sukupolvien akuissa oli muistivaikutus, joka edellytti akkujen purkamista nollaan ja sen jälkeen täyteen lataamista. Li-ion-akuilla ei ole tätä vaikutusta, sillä satunnaisilla täyspurkauksilla ei ole haitallisia vaikutuksia, mutta jatkuvat syväpurkaukset ovat haitallisia. On suositeltavaa, että laturi kytketään 30 prosentin lataustasolle.
Elinikäinen
Li-ion-akkujen virheellinen käyttö voi lyhentää niiden käyttöikää 10-12-kertaisesti. Tämä termi liittyy suoraan lataussyklien määrään. On arvioitu, että Li-ion-akkuja voidaan käyttää 500-1000 sykliä täysin purkautuneena. Suurempi jäljellä oleva latausprosentti ennen seuraavaa latausta pidentää akun käyttöikää merkittävästi.
Koska Li-Ion-akkujen käyttöikä riippuu suurelta osin käyttöolosuhteista, ei ole mahdollista antaa tarkkaa käyttöiän odotetta näille akuille. Tämäntyyppisen akun voi odottaa kestävän keskimäärin 7-10 vuotta, jos vaadittuja ehtoja noudatetaan.
Latausprosessi
Vältä akun kytkemistä laturiin liian pitkäksi aikaa latauksen aikana. Litiumioniakku toimii normaalisti, kun jännite on enintään 3,6 volttia. Laturit syöttävät akun syöttöjännitteeseen 4,2 V latauksen aikana. Jos latausaika ylittyy, akussa voi käynnistyä ei-toivottuja sähkökemiallisia reaktioita, jotka johtavat ylikuumenemiseen ja sen seurauksiin.
Kehittäjät ovat ottaneet tämän ominaisuuden huomioon - nykyaikaisten Li-Ion-akkujen latauksen turvallisuutta ohjataan erityisellä sisäänrakennetulla laitteella, joka pysäyttää latausprosessin, jos jännite nousee yli sallitun tason.
Litiumakkujen latausprosessi on kaksivaiheinen ja oikea tapa ladata ne. Ensimmäisessä vaiheessa akkua ladataan vakiolatausvirralla, toisessa vaiheessa vakiojännitettä säädetään ja latausvirtaa vähennetään asteittain. Tämä algoritmi on toteutettu laitteistolla useimmissa kotimaisissa akkulatureissa.
Varastointi ja hävittäminen
Litiumioniakkua voidaan varastoida pitkään, ja sen itsepurkautuminen on 10-20 % vuodessa. Tuotteen ominaisuudet (hajoaminen) heikkenevät kuitenkin vähitellen ajan myötä.
Akku on säilytettävä +5 °C:n ja +25 °C:n välillä ja suojattava kosteudelta. Vältä voimakkaita tärinöitä, iskuja tai kosketusta avotulen kanssa.
Litiumioniakkujen kierrätys on suoritettava asianmukaisesti luvan saaneissa kierrätyslaitoksissa. Noin 80 prosenttia kierrätysparistojen materiaaleista voidaan käyttää uudelleen uusien paristojen valmistuksessa.
Turvallisuus
Litiumioniakku, jopa pienikokoisena, sisältää räjähdysmäisen itsesyttymisriskin. Tämäntyyppisten akkujen erityisominaisuudet edellyttävät turvatoimenpiteitä kaikissa vaiheissa suunnittelusta tuotantoon ja varastointiin.
Li-ion-akkujen turvallisuuden parantamiseksi akun sisälle sijoitetaan valmistuksen aikana pieni elektroninen piirilevy, joka on valvonta- ja hallintajärjestelmä, joka on suunniteltu estämään ylikuormittuminen ja ylikuumeneminen. Elektroninen mekanismi kasvattaa piirin vastusta, kun lämpötila nousee yli ennalta määrätyn rajan. Joissakin akkumalleissa on sisäänrakennettu mekaaninen kytkin, joka avaa virtapiirin, kun paine akun sisällä nousee.
Akkukoteloissa on usein myös varoventtiili, joka vapauttaa paineen hätätilanteessa.
Litiumparistojen hyvät ja huonot puolet
Tämän tyyppisen akun etuja ovat:
- suuri energiatiheys;
- ei muistivaikutusta;
- pitkä käyttöikä;
- alhainen itsepurkautumisnopeus;
- ei vaadi huoltoa;
- ei huoltotarvetta; ei huoltotarvetta; ei huoltotarvetta.
Litiumparistolla on myös haittoja, kuten seuraavat seikat
- itsesyttymisvaara;
- kalliimpi kuin edeltäjänsä;
- sisäänrakennetun ohjaimen tarve;
- syväpurkauksen epätoivottavuus.
Li-ion-akkujen tekniikka kehittyy jatkuvasti, ja monet puutteet ovat vähitellen jäämässä menneisyyteen.
Sovellukset
Litiumioniakkujen suuri energiatiheys määrittää niiden pääasiallisen käyttöalueen - mobiilielektroniikkalaitteet: kannettavat tietokoneet, tabletit, älypuhelimet, videokamerat, kamerat, navigointijärjestelmät, erilaiset sisäänrakennetut anturit ja muut tuotteet.
Koska nämä paristot ovat sylinterinmuotoisia, niitä voidaan käyttää taskulampuissa, lankapuhelimissa ja muissa laitteissa, jotka aiemmin käyttivät energiaa kertakäyttöparistoista.
Litium-ioniakkujen rakenneperiaatteesta on useita eri lajeja, jotka eroavat toisistaan käytettyjen materiaalien tyypin mukaan (litium-koboltti, litium-mangaani, litium-nikkeli-mangaani-kobolttioksidi jne.). Kummallekin löytyy oma sovelluksensa.
Mobiilielektroniikan lisäksi litiumioniakkuryhmää käytetään seuraavissa sovelluksissa.
- käsikäyttöiset sähkötyökalut;
- kannettavat lääkinnälliset laitteet;
- keskeytymättömät virtalähteet;
- turvajärjestelmät;
- hätävalaistusmoduulit;
- aurinkovoimalat;
- sähköautot ja sähköpolkupyörät.
Kun otetaan huomioon litiumioniteknologian jatkuva kehitys ja suurikapasiteettisten, pienikokoisten akkujen menestys, voimme olettaa, että tällaisten akkujen käyttömahdollisuudet laajenevat edelleen.
Merkintä
Litiumioniakut on merkitty tuotteen ulkokuoreen, ja koodaus voi vaihdella huomattavasti eri kokojen välillä. Kaikkien akkuvalmistajien yhteistä standardia ei ole vielä kehitetty, mutta tärkeimpien parametrien ymmärtäminen on silti mahdollista.
Rivin kirjaimet ilmaisevat kennon tyypin ja käytetyt materiaalit: ensimmäinen kirjain I tarkoittaa litiumioni-teknologiaa, seuraava kirjain (C, M, F tai N) määrittää kemiallisen koostumuksen, kolmas kirjain R tarkoittaa, että kenno on ladattava.
Kokomerkinnän numerot ilmaisevat akun koon millimetreinä: kaksi ensimmäistä numeroa ilmaisevat halkaisijan ja kaksi muuta numeroa pituuden. Esimerkiksi 18650 tarkoittaa, että halkaisija on 18 mm ja pituus 65 mm, 0 tarkoittaa sylinterimäistä muotoa.
Rivin viimeiset kirjaimet ja numerot ovat valmistajakohtaisia kapasiteettimerkintöjä. Myöskään valmistuspäivämäärän ilmoittamiselle ei ole yhtenäisiä standardeja.
