Az elektronikus eszközök mobilitásának kulcseleme az újratölthető akkumulátor (elem). A lehető leghosszabb autonómia biztosítására irányuló növekvő igények folyamatos kutatást ösztönöznek ezen a területen, és új technológiai megoldásokhoz vezetnek.
A széles körben használt Ni-Cd és Ni-MH akkumulátorok alternatívájaként először a lítium akkumulátorok, majd a fejlettebb lítium-ion akkumulátorok jelentek meg.
Tartalomjegyzék
Történelem
Az első ilyen típusú akkumulátorok az 1970-es években készültek. Jobb teljesítményüknek köszönhetően azonnal keresetté váltak. A cella anódja a lítium fémből készült, amelynek tulajdonságai lehetővé tették az energiasűrűség növelését. Így alakultak ki a lítium akkumulátorok.
Az új akkumulátoroknak volt egy nagy hátrányuk - a robbanás és a gyulladás fokozott veszélye. Ennek oka az volt, hogy az elektródák felületén lítiumfilm képződött, ami hőmérséklet-instabilitáshoz vezetett. Maximális terhelésnél az akkumulátor felrobbanhat.
A technológia továbbfejlesztése azt eredményezte, hogy az akkumulátor elemeiben a tiszta lítium helyett pozitív töltésű ionokat használtak. A lítium-ion akkumulátor sikeres megoldásnak bizonyult.
Az ilyen típusú akkumulátoroknak a kissé alacsonyabb energiasűrűség miatt nagyobb a biztonsági tartalékuk, de a technológia fejlődése lehetővé tette a hátrány minimalizálását.
A készülék
A lítiumion-akkumulátorok fogyasztói elektronikában történő bevezetése áttörést hozott egy olyan akkumulátor kifejlesztésével, amelynek katódja szénanyagból (grafit), anódja pedig kobalt-oxidból készült.
A kisütési folyamat során a lítiumionokat eltávolítják a katód anyagából, és beépítik azokat az ellentétes elektród kobalt-oxidjába; a töltés során a folyamat az ellenkező irányban zajlik. Ily módon a lítiumionok az egyik elektródáról a másikra haladva hozzák létre az elektromos áramot.
A Li-ion akkumulátorokat hengeres és prizmás kivitelben gyártják. A hengeres kivitelben két, elektrolittal impregnált anyaggal elválasztott, lapos elektródából álló szalagot tekercselnek fel és helyeznek el egy lezárt fémházban. A katódanyagot alumíniumfóliára, az anódanyagot pedig rézfóliára viszik fel.
Az akkumulátor prizmás kialakítását téglalap alakú lemezek egymásra helyezésével érik el. Az akkumulátornak ez az alakja lehetővé teszi, hogy az elektronikus eszköz elrendezése sűrűbb legyen. A prizmaelemek spirálba csavart elektródákkal is kaphatók.
Működés és élettartam
A lítium-ion akkumulátorok hosszú, megbízható és biztonságos működése a megfelelő használaton múlik, ellenkező esetben nemcsak az akkumulátor élettartama rövidül meg, hanem negatív következményekkel is járhat.
Művelet
A Li-ion akkumulátorok működésének legfontosabb követelménye a hőmérséklet - a túlmelegedést el kell kerülni. A magas hőmérséklet maximális károkat okozhat, és a túlmelegedést külső forrás, valamint a stresszes töltési és kisütési gyakorlat is okozhatja.
Például a 45 °C-ra történő felmelegedés akár 2-szeresére csökkenti az akkumulátor töltésmegtartó képességét. Ez a hőmérséklet könnyen elérhető, ha a készüléket hosszú időre kitesszük a napfénynek, vagy ha energiaigényes alkalmazásokat futtatunk.
Ha a termék túlmelegszik, célszerű hűvös helyre tenni, lehetőleg kikapcsolt és eltávolított akkumulátorral.
A nyári hőségben az akkumulátor energiatakarékos üzemmódját, amely a legtöbb mobilkészüléken elérhető, érdemes használni, hogy a lehető legjobban működjön.
Az alacsony hőmérséklet szintén negatív hatással van a Li-ion akkumulátorokra, -4°C alatti hőmérsékleten az akkumulátor már nem képes teljes kapacitását leadni.
A hideg azonban nem károsítja annyira a Li-ion akkumulátorokat, mint a magas hőmérséklet, és a legtöbbször nem okoz maradandó károsodást. Bár az akkumulátor a szobahőmérsékletre való felmelegedés után teljesen visszanyeri teljesítményét, a hidegben bekövetkező kapacitásveszteségről nem szabad megfeledkezni.
A Li-ion akkumulátorok esetében egy másik ökölszabály, hogy nem szabad hagyni, hogy mélyen lemerüljenek. Az akkumulátorok számos korábbi generációja memóriahatással rendelkezett, ami miatt nullára kellett lemeríteni, majd teljesen feltölteni őket. A Li-ion akkumulátorok nem rendelkeznek ezzel a hatással, az alkalmi teljes lemerülésnek nincs káros hatása, de a folyamatos mélykisülés káros. A töltőt ajánlott 30%-os töltöttségi szinten csatlakoztatni.
Élethosszig tartó
A Li-ion akkumulátorok helytelen használata 10-12-szeresére rövidítheti az élettartamukat. Ez a kifejezés közvetlenül kapcsolódik a töltési ciklusok számához. Becslések szerint a Li-ion akkumulátorok teljesen lemerült állapotban 500-1000 cikluson keresztül használhatók. A következő töltés előtti nagyobb százalékos töltöttségi szint jelentősen megnöveli az akkumulátor élettartamát.
Mivel a Li-ion akkumulátorok élettartamát nagymértékben meghatározzák az üzemeltetési körülmények, nem lehet pontos élettartamot megadni ezekre az akkumulátorokra. Átlagosan 7-10 év élettartamra számíthat egy ilyen típusú akkumulátor, ha betartja a szükséges feltételeket.
Töltési folyamat
Töltés közben kerülje el, hogy az akkumulátort túl hosszú időre csatlakoztassa a töltőhöz. A lítium-ion akkumulátor normálisan működik, ha a feszültség nem haladja meg a 3,6 voltot. A töltők a töltési folyamat során 4,2 V feszültséget kapcsolnak az akkumulátor bemenetére. A töltési idő túllépése esetén az akkumulátorban nemkívánatos elektrokémiai reakciók indulhatnak el, amelyek túlmelegedéshez vezetnek, az ebből eredő következményekkel együtt.
A fejlesztők figyelembe vettek egy ilyen jellemzőt - a modern Li-Ion akkumulátorok töltésének biztonságát egy speciális beépített eszköz szabályozza, amely leállítja a töltési folyamatot, ha a feszültség meghaladja a megengedett szintet.
A lítium akkumulátorok töltésének helyes módja a kétlépcsős töltési folyamat. Az első fokozat az akkumulátor töltése állandó töltőáram biztosításával, a második fokozat pedig állandó feszültség biztosítása és a töltőáram fokozatos csökkentése. Ez az algoritmus a legtöbb háztartási akkumulátortöltőben hardveresen van megvalósítva.
Tárolás és ártalmatlanítás
A lítium-ion akkumulátor hosszú ideig tárolható, évi 10-20%-os önkisüléssel. A termék tulajdonságai (degradáció) azonban idővel fokozatosan romlanak.
Az akkumulátort +5°C és +25°C közötti hőmérsékleten és nedvességtől védve kell tárolni. Kerülje az erős rezgéseket, ütéseket vagy nyílt lánggal való érintkezést.
A lítium-ion cellák újrafeldolgozását csak megfelelő engedéllyel rendelkező újrafeldolgozó létesítményekben lehet elvégezni. Az újrahasznosított elemek anyagainak körülbelül 80%-a újra felhasználható új elemek gyártása során.
Biztonság
A lítium-ion akkumulátor még miniatűr méretben is magában hordozza a robbanásveszélyes öngyulladás kockázatát. Az ilyen típusú akkumulátorok különleges jellemzői biztonsági óvintézkedéseket tesznek szükségessé minden szakaszban, a tervezéstől a gyártáson át a tárolásig.
A Li-ion akkumulátorok biztonságának javítása érdekében a gyártás során egy kis elektronikus áramkört, a túlterhelés és a túlmelegedés megelőzésére tervezett vezérlő- és irányítórendszert helyeznek el az akkumulátor belsejében. Az elektronikus mechanizmus növeli az áramkör ellenállását, amikor a hőmérséklet egy előre meghatározott határérték fölé emelkedik. Egyes akkumulátortípusok beépített mechanikus kapcsolóval rendelkeznek, amely megnyitja az áramkört, amikor az akkumulátorban lévő nyomás megemelkedik.
Az akkumulátorházak gyakran biztonsági szeleppel is fel vannak szerelve, amely vészhelyzetben leengedi a nyomást.
A lítium akkumulátorok előnyei és hátrányai
Az ilyen típusú akkumulátorok előnyei a következők:
- nagy energiasűrűség;
- nincs memóriahatás;
- hosszú élettartam;
- alacsony önkisülési ráta;
- nincs szükség karbantartásra;
- nincs szükség karbantartásra; nincs szükség karbantartásra; nincs szükség karbantartásra.
A lítium akkumulátornak hátrányai is vannak, mint pl.
- az öngyulladás veszélye;
- magasabb költségekkel, mint elődei;
- a beépített vezérlő szükségessége;
- a mélykisülés nem kívánatos volta.
A Li-ion akkumulátorok technológiája folyamatosan fejlődik, számos hiányosság fokozatosan a múlté.
Alkalmazások
A lítium-ion akkumulátorok nagy energiasűrűsége határozza meg fő alkalmazási területüket - a mobil elektronikus eszközök: laptopok, táblagépek, okostelefonok, videokamerák, fényképezőgépek, navigációs rendszerek, különböző beépített érzékelők és egyéb termékek.
Ezen elemek hengeres alakja lehetővé teszi, hogy zseblámpákban, vezetékes telefonokban és más olyan eszközökben is használhatók legyenek, amelyek korábban eldobható elemekből származó energiát fogyasztottak.
A lítium-ion akkumulátorok szerkezeti elvének több változata létezik, a típusok a felhasznált anyagok típusában különböznek (lítium-kobalt, lítium-mangán, lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid stb.). Mindegyik megtalálja a maga alkalmazását.
A lítium-ion akkumulátorcsoportot a mobilelektronikán kívül a következő alkalmazásokban használják
- kézi motoros szerszámok;
- hordozható orvosi berendezések;
- szünetmentes tápegységek;
- biztonsági rendszerek;
- vészvilágítási modulok;
- naperőművek;
- elektromos autók és elektromos kerékpárok.
A lítiumion-technológia folyamatos fejlődése és a nagy kapacitású, kisméretű akkumulátorok sikere miatt arra számíthatunk, hogy az ilyen akkumulátorok alkalmazási köre tovább bővül.
Címkézés
A lítium-ion akkumulátorok jelölése a termék külső burkolatán található, és a kódolás méretenként jelentősen eltérhet. Az összes akkumulátorgyártó számára még nem dolgoztak ki közös szabványt, de a legfontosabb paraméterek megértése önállóan is lehetséges.
A sorban lévő betűk a cella típusát és a felhasznált anyagokat jelzik: az első I betű a lítium-ion technológiát jelzi, a következő betű (C, M, F vagy N) a kémiai összetételt, a harmadik R betű pedig azt, hogy a cella újratölthető.
A méretjelölésben szereplő számok az akkumulátor méretét jelzik milliméterben: az első két szám az átmérőt, a másik kettő pedig a hosszúságot jelzi. Például a 18650 azt jelzi, hogy az átmérője 18 mm, a hossza 65 mm, a 0 pedig a hengeres alaki tényezőt jelzi.
A sorban az utolsó betűk és számok gyártóspecifikus kapacitásjelzések. A gyártási dátum feltüntetésére sincsenek egységes szabványok.
