Elektronisko ierīču mobilitātes galvenais elements ir uzlādējams akumulators (baterija). Pieaugošās prasības nodrošināt pēc iespējas ilgāku autonomiju ir veicinājušas nepārtrauktu pētniecību šajā jomā, kā rezultātā ir izstrādāti jauni tehnoloģiskie risinājumi.
Plaši izmantotajām Ni-Cd un Ni-MH baterijām tika ieviestas alternatīvas - vispirms litija baterijas un pēc tam modernākās litija jonu baterijas.
Saturs
Vēsture
Pirmie šāda veida akumulatori radās pagājušā gadsimta 70. gados. Uzlabotās veiktspējas dēļ tie uzreiz kļuva pieprasīti. Elementa anodu izgatavoja no metāla litija, kura īpašības ļāva palielināt enerģijas blīvumu. Tādā veidā tika izstrādātas litija baterijas.
Jaunajām baterijām bija būtisks trūkums - paaugstināts sprādziena un aizdegšanās risks. Iemesls bija litija plēves veidošanās uz elektrodu virsmas, kas izraisīja temperatūras nestabilitāti. Pie maksimālas slodzes akumulators var eksplodēt.
Tehnoloģijas pilnveidošana noveda pie tā, ka akumulatora sastāvdaļās vairs neizmanto tīru litiju, bet gan pozitīvi uzlādētus jonus. Litija jonu akumulators izrādījās veiksmīgs risinājums.
Šāda tipa akumulatoriem ir lielāka drošības rezerve, jo enerģijas blīvums ir nedaudz mazāks, taču tehnoloģiju attīstība ir ļāvusi samazināt šo trūkumu.
Ierīce
Litija jonu bateriju ieviešana plaša patēriņa elektronikā ir piedzīvojusi izrāvienu, izstrādājot bateriju ar katodu no oglekļa materiāla (grafīta) un anodu no kobalta oksīda.
Izlādes procesā litija joni tiek izvadīti no katoda materiāla un iestrādāti pretējā elektroda kobalta oksīdā; uzlādes laikā process notiek pretējā virzienā. Tādējādi litija joni, pārvietojoties no viena elektroda uz otru, rada elektrisko strāvu.
Li-Ion akumulatorus ražo cilindriskā un prizmatiskā formā. Cilindriskajā konstrukcijā divas plakanu elektrodu lentes, kas atdalītas ar elektrolītu piesūcinātā materiālā, ir satītas un ievietotas hermētiskā metāla apvalkā. Katoda materiāls tiek uzklāts uz alumīnija folijas, bet anoda materiāls - uz vara folijas.
Akumulatora prizmatiskais dizains ir iegūts, uzliekot taisnstūra formas plāksnes vienu uz otras. Šāda akumulatora forma ļauj padarīt elektroniskās ierīces izkārtojumu blīvāku. Prizmatiskās baterijas ir pieejamas arī ar spirālveidā savītiem elektrodiem.
Ekspluatācija un kalpošanas laiks
Līcija jonu bateriju ilga, uzticama un droša darbība ir atkarīga no to pareizas lietošanas, tās neievērošana ne tikai saīsina izstrādājuma kalpošanas laiku, bet arī var radīt negatīvas sekas.
Operācija
Galvenā prasība Li-Ion akumulatoru darbībai ir temperatūra - jāizvairās no pārkaršanas. Augsta temperatūra var radīt maksimālus bojājumus, un pārkaršanu var izraisīt ārējs avots, kā arī saspringta uzlādes un izlādes prakse.
Piemēram, uzkarsējot līdz 45°C, akumulatora spēja noturēt lādiņu samazinās līdz pat 2 reizēm. Šādu temperatūru var viegli sasniegt, ilgstoši pakļaujot ierīci saules gaismai vai darbinot energoietilpīgas lietojumprogrammas.
Ja izstrādājums pārkarst, ieteicams to novietot vēsā vietā, vēlams ar izslēgtu un izņemtu akumulatoru.
Vasaras karstumā jāizmanto akumulatora enerģijas taupīšanas režīms, kas ir pieejams vairumā mobilo ierīču, lai akumulators darbotos pēc iespējas labāk.
Arī zema temperatūra negatīvi ietekmē Li-Ion akumulatorus, jo pie temperatūras zem -4°C akumulators vairs nespēj nodrošināt pilnu jaudu.
Tomēr aukstums nav tik kaitīgs Li-Ion akumulatoriem kā augsta temperatūra, un visbiežāk tas nerada neatgriezeniskus bojājumus. Lai gan pēc sasilšanas līdz istabas temperatūrai akumulators pilnībā atgūst savu veiktspēju, nevajadzētu aizmirst par jaudas zudumu aukstumā.
Vēl viens noteikums attiecībā uz Li-Ion akumulatoriem ir nepieļaut to dziļu izlādi. Daudzām iepriekšējo paaudžu baterijām bija atmiņas efekts, tāpēc tās bija jāizlādē līdz nullei un pēc tam pilnībā jāuzlādē. Li-Ion akumulatoriem šāda ietekme nepiemīt, jo atsevišķām pilnīgām izlādēm nav nelabvēlīgas ietekmes, bet ilgstošas dziļas izlādes ir kaitīgas. Ieteicams lādētāju pieslēgt ar 30 % uzlādes līmeni.
Mūža periods
Nepareiza Li-Ion akumulatoru lietošana var saīsināt to kalpošanas laiku 10 līdz 12 reizes. Šis termins ir tieši saistīts ar uzlādes ciklu skaitu. Tiek lēsts, ka Li-Ion akumulatorus pilnībā izlādētā stāvoklī var izmantot 500 līdz 1000 ciklu. Lielāks atlikušās uzlādes procents pirms nākamās uzlādes ievērojami pagarinās akumulatora darbības laiku.
Tā kā Li-Ion akumulatoru kalpošanas ilgumu lielā mērā nosaka ekspluatācijas apstākļi, nav iespējams precīzi noteikt šo akumulatoru paredzamo kalpošanas ilgumu. Ja tiek ievēroti nepieciešamie nosacījumi, vidēji var sagaidīt, ka šāda tipa akumulators kalpos 7-10 gadus.
Uzlādes process
Uzlādējot akumulatoru, izvairieties no tā pievienošanas lādētājam uz pārāk ilgu laiku. Litija jonu akumulators normāli darbojas ar spriegumu, kas nepārsniedz 3,6 voltus. Uzlādes laikā lādētāji akumulatora ievadei pievada 4,2 V. Ja uzlādes laiks tiek pārsniegts, akumulatorā var sākties nevēlamas elektroķīmiskās reakcijas, kas novedīs pie pārkaršanas ar visām no tā izrietošajām sekām.
Izstrādātāji ir ņēmuši vērā šādu iezīmi - moderno Li-Ion akumulatoru uzlādes drošību kontrolē īpaša iebūvēta ierīce, kas aptur uzlādes procesu, ja spriegums pārsniedz pieļaujamo līmeni.
Litija akumulatoriem pareizais veids, kā tos uzlādēt, ir divpakāpju uzlādes metode. Pirmajā posmā akumulators tiek uzlādēts, nodrošinot nemainīgu uzlādes strāvu, otrajā posmā tiek nodrošināts nemainīgs spriegums un pakāpeniski samazināta uzlādes strāva. Šis algoritms ir aparatūras veidā īstenots lielākajā daļā vietējo akumulatoru lādētāju.
Uzglabāšana un iznīcināšana
Litija jonu akumulatoru var uzglabāt ilgu laiku, un tā pašizlāde ir 10-20% gadā. Tomēr produkta īpašības (degradācija) laika gaitā pakāpeniski pasliktinās.
Akumulators jāuzglabā no +5°C līdz +25°C temperatūrā un jāaizsargā no mitruma. Izvairieties no spēcīgas vibrācijas, triecieniem vai saskares ar atklātu liesmu.
Litija jonu elementu otrreizēja pārstrāde jāveic attiecīgi licencētās pārstrādes iekārtās. Gandrīz 80 % pārstrādāto bateriju materiālu var atkārtoti izmantot jaunu bateriju ražošanā.
Drošība
Litija jonu akumulatoram, pat tā miniatūrā izmēra, ir sprādzienbīstamas pašaizdegšanās risks. Šī akumulatoru tipa īpašās iezīmes prasa drošības pasākumus visos posmos, sākot ar projektēšanu un beidzot ar ražošanu un uzglabāšanu.
Lai uzlabotu Li-Ion akumulatoru drošību, ražošanas laikā akumulatora iekšpusē tiek ievietota neliela elektroniskā shēma - kontroles un vadības sistēma, kas paredzēta, lai novērstu pārslodzi un pārkaršanu. Elektroniskais mehānisms palielina ķēdes pretestību, kad temperatūra paaugstinās virs iepriekš noteiktās robežas. Dažos akumulatoru modeļos ir iebūvēts mehānisks slēdzis, kas atver ķēdi, kad akumulatora iekšienē paaugstinās spiediens.
Akumulatoru korpusi bieži ir aprīkoti arī ar drošības vārstu, kas avārijas gadījumā atbrīvo spiedienu.
Litija akumulatoru plusi un mīnusi
Šāda tipa akumulatoru priekšrocības ir šādas:
- augsts enerģijas blīvums;
- nav atmiņas efekta;
- ilgs kalpošanas laiks;
- zems pašizlādes ātrums;
- nav nepieciešama apkope;
- nav nepieciešama apkope; nav nepieciešama apkope; nav nepieciešama apkope; nav nepieciešama apkope.
Litija akumulatoram ir arī trūkumi, piemēram.
- pašaizdegšanās risks;
- augstākas izmaksas nekā tās priekšgājējiem;
- nav nepieciešams iebūvēts kontrolieris;
- dziļas izlādes nevēlamība.
Li-Ion akumulatoru tehnoloģija nepārtraukti pilnveidojas, un daudzi trūkumi pamazām paliek pagātnē.
Pieteikumi
Lielais litija jonu akumulatoru enerģijas blīvums nosaka to galveno pielietojuma jomu - mobilās elektroniskās ierīces: klēpjdatori, planšetdatori, viedtālruņi, videokameras, fotoaparāti, navigācijas sistēmas, dažādi iebūvēti sensori un citi produkti.
Šo bateriju cilindriskās formas faktors ļauj tās izmantot lukturīšos, stacionārajos telefonos un citās ierīcēs, kas iepriekš patērēja enerģiju no vienreizlietojamām baterijām.
Litija jonu akumulatoru konstrukcijas principam ir vairāki veidi, kas atšķiras pēc izmantotā materiāla veida (litija-kobalta, litija-mangāna, litija-niķeļa-mangāna-kobalta-oksīda utt.). Katram no tiem ir savs pielietojums.
Papildus mobilajai elektronikai litija jonu akumulatoru grupa tiek izmantota šādos lietojumos.
- rokas elektroinstrumenti;
- pārnēsājamo medicīnas aprīkojumu;
- nepārtrauktas barošanas avoti;
- drošības sistēmas;
- avārijas apgaismojuma moduļi;
- saules spēkstacijas;
- elektriskie automobiļi un elektriskie velosipēdi.
Ņemot vērā litija jonu tehnoloģijas nepārtraukto attīstību un lieljaudas, maza izmēra akumulatoru panākumus, mēs varam prognozēt, ka šādu akumulatoru pielietojuma klāsts turpinās paplašināties.
Marķēšana
Litija jonu baterijas ir marķētas uz izstrādājuma ārējā apvalka, un kodējums var ievērojami atšķirties atkarībā no izmēra. Kopīgs standarts visiem akumulatoru ražotājiem vēl nav izstrādāts, taču svarīgākos parametrus joprojām ir iespējams saprast pašiem.
Rindā esošie burti norāda baterijas veidu un izmantotos materiālus: pirmais burts I norāda litija jonu tehnoloģiju, nākamais burts (C, M, F vai N) norāda ķīmisko sastāvu, trešais burts R nozīmē, ka baterija ir uzlādējama.
Skaitļi izmēra apzīmējumā norāda akumulatora izmēru milimetros: pirmie divi skaitļi norāda diametru, bet pārējie divi - garumu. Piemēram, 18650 norāda, ka diametrs ir 18 mm un garums - 65 mm, 0 norāda uz cilindriskās formas faktoru.
Pēdējie rindas burti un cipari ir ražotāja noteiktie jaudas marķējumi. Nav arī vienotu standartu ražošanas datuma norādīšanai.
