Het sleutelelement in de mobiliteit van elektronische toestellen is de oplaadbare batterij (accu). De toenemende eisen om een zo lang mogelijke autonomie te waarborgen hebben het voortdurend onderzoek op dit gebied aangewakkerd en geleid tot de ontwikkeling van nieuwe technologische oplossingen.
Een alternatief voor de veel gebruikte Ni-Cd en Ni-MH batterijen werd geïntroduceerd, eerst lithium batterijen en vervolgens de meer geavanceerde lithium ion batterijen.
Inhoud
Geschiedenis
De eerste batterijen van dit type ontstonden in de jaren 1970. Zij waren onmiddellijk in trek wegens hun verbeterde prestaties. De anode van de cel werd gemaakt van het metaal lithium, waarvan de eigenschappen het mogelijk maakten de energiedichtheid te verhogen. Op die manier werden lithiumbatterijen ontwikkeld.
De nieuwe batterijen hadden een groot nadeel - een verhoogd risico van ontploffing en ontsteking. De reden was de vorming van een lithiumfilm op het oppervlak van de elektroden, hetgeen leidde tot temperatuurinstabiliteit. Bij maximale belasting kan de batterij exploderen.
Een verfijning van de technologie leidde ertoe dat werd afgestapt van zuiver lithium in de batterijcomponenten ten gunste van het gebruik van positief geladen ionen. De lithium-ionbatterij bleek een succesvolle oplossing te zijn.
Dit type batterij heeft een grotere veiligheidsmarge ten gevolge van een iets lagere energiedichtheid, maar dankzij de vooruitgang van de technologie is het mogelijk dit nadeel tot een minimum te beperken.
Het apparaat
De introductie van lithium-ionbatterijen in consumentenelektronica heeft een doorbraak te zien gegeven met de ontwikkeling van een batterij met een kathode van koolstofmateriaal (grafiet) en een anode van kobaltoxide.
Tijdens het ontladingsproces worden lithiumionen uit het kathodemateriaal verwijderd en opgenomen in het kobaltoxide van de tegenovergestelde elektrode; tijdens het opladen vindt het proces in omgekeerde richting plaats. Op deze manier creëren de lithium-ionen de elektrische stroom door zich van de ene elektrode naar de andere te verplaatsen.
Li-Ion-batterijen worden in cilindrische en prismatische vorm geproduceerd. Bij het cilindrische ontwerp worden twee linten van platte elektroden, gescheiden door met elektrolyt geïmpregneerd materiaal, opgerold en in een afgesloten metalen omhulsel geplaatst. Het kathodemateriaal wordt aangebracht op aluminiumfolie en het anodemateriaal op koperfolie.
Het prismatische ontwerp van de batterij wordt verkregen door rechthoekige platen op elkaar te stapelen. Deze vorm van de batterij maakt het mogelijk de indeling van het elektronische apparaat dichter te maken. Prismatische batterijen zijn ook verkrijgbaar met opgerolde elektroden, die in een spiraal zijn gedraaid.
Werking en levensduur
Een lange, betrouwbare en veilige werking van lithium-ionbatterijen hangt af van een juist gebruik, anders verkort niet alleen de levensduur van de batterij, maar kan ook leiden tot negatieve gevolgen.
Operatie
De belangrijkste voorwaarde voor het gebruik van Li-Ion-batterijen is de temperatuur - oververhitting moet worden vermeden. Hoge temperaturen kunnen maximale schade veroorzaken, en oververhitting kan worden veroorzaakt door een externe bron, maar ook door stressvolle laad- en ontlaadpraktijken.
Verhitting tot 45°C bijvoorbeeld vermindert het vermogen van de batterij om de lading vast te houden met een factor 2. Deze temperatuur kan gemakkelijk worden bereikt door het toestel gedurende lange perioden bloot te stellen aan de zon of door het uitvoeren van energie-intensieve toepassingen.
Als het product oververhit raakt, is het raadzaam het op een koele plaats te zetten, bij voorkeur met de batterij uitgeschakeld en verwijderd.
In de zomer moet de energiebesparingsmodus van de batterij, die op de meeste mobiele toestellen beschikbaar is, worden gebruikt om de batterij zo goed mogelijk te laten werken.
Lage temperaturen hebben ook een negatief effect op Li-Ion-batterijen, bij temperaturen onder -4°C kan de batterij niet langer zijn volledige capaciteit leveren.
Koude is echter niet zo schadelijk voor Li-Ion-batterijen als hoge temperaturen en zal meestal geen blijvende schade veroorzaken. Hoewel de prestaties van de batterij volledig hersteld zijn nadat ze is opgewarmd tot kamertemperatuur, mag de vermindering van de capaciteit in de kou niet worden vergeten.
Een andere vuistregel voor Li-Ion-batterijen is diepe ontladingen te vermijden. Veel vroegere generaties batterijen hadden een geheugeneffect waardoor ze eerst tot nul moesten worden ontladen en daarna weer volledig moesten worden opgeladen. Li-Ion-batterijen hebben dit effect niet. Af en toe volledig ontladen heeft geen nadelige gevolgen, maar voortdurend diep ontladen is schadelijk. Aanbevolen wordt de lader aan te sluiten op een oplaadniveau van 30%.
Levenslang
Onjuist gebruik van Li-Ion-batterijen kan de levensduur met een factor 10 tot 12 verkorten. Deze term houdt rechtstreeks verband met het aantal laadcycli. Geschat wordt dat Li-Ion-batterijen in volledig ontladen toestand tussen 500 en 1000 cycli kunnen worden gebruikt. Een hoger percentage resterende lading vóór de volgende lading zal de levensduur van de batterij aanzienlijk verlengen.
Aangezien de levensduur van Li-Ion-batterijen in hoge mate wordt bepaald door de bedrijfsomstandigheden, is het niet mogelijk een exacte levensduurverwachting voor deze batterijen te geven. Gemiddeld kunt u verwachten dat een batterij van dit type 7-10 jaar meegaat, als aan de vereiste voorwaarden wordt voldaan.
Oplaadproces
Voorkom dat de batterij te lang in de lader blijft zitten tijdens het opladen. De lithium-ion batterij werkt normaal bij een spanning van maximaal 3,6 volt. Opladers passen tijdens het opladen 4,2 V toe op de ingang van de batterij. Als de oplaadtijd wordt overschreden, kunnen in de batterij ongewenste elektrochemische reacties op gang komen, die leiden tot oververhitting met alle gevolgen van dien.
De ontwikkelaars hebben rekening gehouden met een dergelijke eigenschap - de veiligheid van het opladen van moderne Li-Ion-batterijen wordt geregeld door een speciaal ingebouwd apparaat dat het oplaadproces stopt als de spanning het toegestane niveau overschrijdt.
Voor lithiumbatterijen is een oplaadproces in twee fasen de juiste manier om ze op te laden. In de eerste fase wordt de batterij opgeladen door een constante laadstroom te leveren, in de tweede fase wordt een constante spanning geleverd en wordt de laadstroom geleidelijk verminderd. Dit algoritme is hardwarematig geïmplementeerd in de meeste huishoudelijke batterijladers.
Opslag en verwijdering
Een lithium-ionbatterij kan lange tijd worden opgeslagen, met een zelfontlading van 10-20% per jaar. De kenmerken van het product (degradatie) gaan echter geleidelijk achteruit met de tijd.
De batterij moet worden bewaard bij +5°C tot +25°C en beschermd tegen vochtigheid. Vermijd sterke trillingen, schokken of contact met open vuur.
De recycling van lithium-ion-cellen moet worden uitgevoerd door naar behoren erkende recyclinginrichtingen. Ongeveer 80% van de materialen van gerecycleerde batterijen kan opnieuw worden gebruikt bij de productie van nieuwe batterijen.
Veiligheid
Een lithium-ionbatterij, zelfs in haar miniatuurformaat, draagt het risico in zich van explosieve zelfontbranding. De bijzondere eigenschappen van dit type batterij vereisen veiligheidsmaatregelen in alle stadia, van ontwerp tot productie en opslag.
Om de veiligheid van Li-Ion-batterijen te verbeteren, wordt tijdens de fabricage een kleine elektronische printplaat, een controle- en beheerssysteem dat overbelasting en oververhitting moet voorkomen, in de batterij geplaatst. Het elektronische mechanisme verhoogt de circuitweerstand wanneer de temperatuur boven een vooraf bepaalde grens komt. Sommige batterijmodellen hebben een ingebouwde mechanische schakelaar die het circuit opent wanneer de druk in de batterij stijgt.
Batterijbehuizingen zijn ook vaak uitgerust met een veiligheidsklep, die in geval van nood de druk laat ontsnappen.
Voor- en nadelen van lithiumbatterijen
De voordelen van dit type batterij zijn:
- hoge energiedichtheid;
- geen geheugeneffect;
- lange levensduur;
- lage zelfontladingssnelheid;
- geen onderhoud nodig;
- geen behoefte aan onderhoud; geen behoefte aan onderhoud; geen behoefte aan onderhoud.
De lithiumbatterij heeft ook nadelen, zoals
- gevaar voor zelfontbranding;
- duurder dan zijn voorgangers;
- de noodzaak van een ingebouwde controller;
- onwenselijkheid van diepe ontlading.
De technologie van Li-Ion-batterijen wordt steeds beter, veel tekortkomingen behoren geleidelijk tot het verleden.
Toepassingen
De hoge energiedensiteit van lithium-ionbatterijen bepaalt hun voornaamste toepassingsgebied - mobiele elektronische apparatuur: laptops, tablets, smartphones, camcorders, camera's, navigatiesystemen, diverse ingebouwde sensoren en andere producten.
Door de cilindrische vormfactor van deze batterijen kunnen zij worden gebruikt in zaklantaarns, vaste telefoons en andere apparaten die vroeger energie verbruikten uit wegwerpbatterijen.
Het constructieprincipe van lithium-ion-batterijen kent verschillende varianten, waarbij de typen verschillen in het soort materiaal dat wordt gebruikt (lithium-kobalt, lithium-mangaan, lithium-nikkel-mangaan-kobalt-oxide, enz.) Elk vindt zijn eigen toepassing.
Naast mobiele elektronica wordt de groep lithium-ionbatterijen gebruikt in de volgende toepassingen
- handgereedschap;
- draagbare medische apparatuur;
- ononderbreekbare stroomvoorzieningen;
- beveiligingssystemen;
- modules voor noodverlichting;
- zonne-energiecentrales;
- elektrische auto's en elektrische fietsen.
Gezien de gestage vooruitgang van de lithium-ion-technologie en het succes van kleine batterijen met een grote capaciteit, kunnen wij ervan uitgaan dat het aantal toepassingen voor dergelijke batterijen zal blijven toenemen.
Etikettering
Lithium-ionenbatterijen zijn gemarkeerd op de buitenste behuizing van het product en de codering kan sterk verschillen van maat tot maat. Er is nog geen gemeenschappelijke norm voor alle batterijproducenten ontwikkeld, maar het is toch mogelijk om op eigen houtje de belangrijkste parameters te begrijpen.
De letters in de rij geven het type cel en de gebruikte materialen aan: de eerste letter I geeft de lithium-ion-technologie aan, de volgende letter (C, M, F of N) specificeert de chemische samenstelling, de derde letter R betekent dat de cel oplaadbaar is.
De cijfers in de maataanduiding geven de afmetingen van de batterij in millimeter aan: de eerste twee cijfers geven de diameter aan en de twee andere de lengte. 18650 geeft bijvoorbeeld aan dat de diameter 18 mm en de lengte 65 mm bedraagt, 0 geeft de cilindrische vormfactor aan.
De laatste letters en cijfers in de rij zijn fabrikant-specifieke capaciteitsaanduidingen. Er zijn ook geen uniforme normen voor de vermelding van de fabricagedatum.
