Kluczowym elementem mobilności urządzeń elektronicznych jest akumulator (bateria). Rosnące wymagania dotyczące zapewnienia jak najdłuższej autonomii są motorem ciągłych badań w tej dziedzinie i doprowadziły do opracowania nowych rozwiązań technicznych.
Jako alternatywę dla powszechnie stosowanych akumulatorów Ni-Cd i Ni-MH wprowadzono najpierw akumulatory litowe, a następnie bardziej zaawansowane akumulatory litowo-jonowe.
Spis treści
Historia
Pierwsze baterie tego typu powstały w latach 70. ubiegłego wieku. Ze względu na lepsze parametry pracy natychmiast pojawił się na nie popyt. Anoda ogniwa została wykonana z metalu litu, którego właściwości pozwoliły na zwiększenie gęstości energii. W ten sposób powstały baterie litowe.
Nowe akumulatory miały poważną wadę - zwiększone ryzyko wybuchu i zapłonu. Powodem było tworzenie się warstwy litu na powierzchni elektrod, co prowadziło do niestabilności temperatury. Przy maksymalnym obciążeniu akumulator może eksplodować.
Udoskonalenie technologii doprowadziło do rezygnacji z czystego litu w komponentach akumulatora na rzecz wykorzystania dodatnio naładowanych jonów. Akumulator litowo-jonowy okazał się skutecznym rozwiązaniem.
Ten typ akumulatora ma większy margines bezpieczeństwa ze względu na nieco mniejszą gęstość energii, ale dzięki postępowi technologicznemu udało się zminimalizować tę wadę.
Urządzenie
Przełomem we wprowadzaniu akumulatorów litowo-jonowych do elektroniki użytkowej było opracowanie akumulatora z katodą wykonaną z materiału węglowego (grafitu) i anodą wykonaną z tlenku kobaltu.
Proces rozładowania usuwa jony litu z materiału katody i włącza je do tlenku kobaltu przeciwległej elektrody; podczas ładowania proces przebiega w odwrotnym kierunku. W ten sposób jony litu wytwarzają prąd elektryczny, przemieszczając się z jednej elektrody do drugiej.
Akumulatory Li-Ion są produkowane w wersji cylindrycznej i pryzmatycznej. W konstrukcji cylindrycznej dwie wstęgi płaskich elektrod oddzielone materiałem impregnowanym elektrolitem są zwinięte i umieszczone w szczelnej metalowej obudowie. Materiał katodowy jest nanoszony na folię aluminiową, a materiał anodowy na folię miedzianą.
Pryzmatyczną konstrukcję baterii uzyskuje się przez ułożenie prostokątnych płyt jedna na drugiej. Taki kształt baterii umożliwia zagęszczenie układu urządzenia elektronicznego. Dostępne są również baterie pryzmatyczne ze zwiniętymi elektrodami, skręconymi w spiralę.
Działanie i żywotność
Długie, niezawodne i bezpieczne działanie akumulatorów litowo-jonowych zależy od właściwego użytkowania. Nieprzestrzeganie tego warunku nie tylko skróci żywotność produktu, ale może również prowadzić do negatywnych konsekwencji.
Operacja
Kluczowym wymogiem dotyczącym eksploatacji akumulatorów litowo-jonowych jest temperatura - należy unikać przegrzania. Wysokie temperatury mogą powodować maksymalne uszkodzenia, a przegrzanie może być spowodowane zarówno przez źródło zewnętrzne, jak i przez stresujące praktyki ładowania i rozładowywania.
Na przykład ogrzanie akumulatora do temperatury 45°C powoduje nawet dwukrotne zmniejszenie jego zdolności do podtrzymywania ładunku. Taką temperaturę można łatwo osiągnąć, wystawiając urządzenie na długotrwałe działanie promieni słonecznych lub uruchamiając energochłonne aplikacje.
Jeśli produkt przegrzewa się, zaleca się umieszczenie go w chłodnym miejscu, najlepiej z wyłączoną i wyjętą baterią.
W okresie letnich upałów należy korzystać z trybu oszczędzania energii, dostępnego w większości urządzeń przenośnych, aby zapewnić jak najlepsze działanie baterii.
Niskie temperatury mają również negatywny wpływ na akumulatory litowo-jonowe. W temperaturze poniżej -4°C akumulator nie jest w stanie osiągnąć pełnej pojemności.
Jednak niska temperatura nie jest tak szkodliwa dla akumulatorów litowo-jonowych jak wysoka i najczęściej nie powoduje ich trwałego uszkodzenia. Chociaż akumulator odzyska pełną sprawność po ogrzaniu się do temperatury pokojowej, nie należy zapominać o utracie pojemności w niskich temperaturach.
Kolejną zasadą stosowaną w przypadku akumulatorów litowo-jonowych jest unikanie głębokiego rozładowywania. W wielu poprzednich generacjach akumulatorów występował efekt pamięci, który wymagał rozładowania ich do zera, a następnie pełnego naładowania. W przypadku akumulatorów litowo-jonowych efekt ten nie występuje. Sporadyczne pełne rozładowania nie mają negatywnych skutków, ale ciągłe głębokie rozładowania są szkodliwe. Zaleca się, aby ładowarka była podłączona przy poziomie naładowania 30%.
Lifetime
Nieprawidłowe użytkowanie akumulatorów litowo-jonowych może skrócić ich żywotność o współczynnik 10-12. Termin ten jest bezpośrednio związany z liczbą cykli ładowania. Szacuje się, że akumulatory litowo-jonowe mogą być używane przez 500 do 1000 cykli przy całkowitym rozładowaniu. Wyższy procent naładowania przed kolejnym ładowaniem znacznie wydłuży żywotność baterii.
Ponieważ długość okresu eksploatacji akumulatorów litowo-jonowych zależy w dużym stopniu od warunków pracy, nie jest możliwe podanie dokładnej długości okresu eksploatacji tych akumulatorów. Przeciętnie można oczekiwać, że bateria tego typu wytrzyma 7-10 lat, jeśli spełnione zostaną wymagane warunki.
Proces ładowania
Podczas ładowania nie należy wkładać akumulatora do ładowarki na zbyt długi okres czasu. Bateria litowo-jonowa będzie działać normalnie przy napięciu nieprzekraczającym 3,6 V. Podczas procesu ładowania ładowarki podają na wejście akumulatora napięcie 4,2 V. Jeśli czas ładowania zostanie przekroczony, w akumulatorze mogą rozpocząć się niepożądane reakcje elektrochemiczne, które doprowadzą do przegrzania i związanych z tym konsekwencji.
Twórcy urządzenia wzięli pod uwagę tę cechę - bezpieczeństwo ładowania nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych jest kontrolowane przez specjalne wbudowane urządzenie, które zatrzymuje proces ładowania, jeśli napięcie wzrośnie powyżej dopuszczalnego poziomu.
W przypadku akumulatorów litowych prawidłowym sposobem ładowania jest dwustopniowy proces ładowania. Pierwszy etap polega na ładowaniu akumulatora poprzez dostarczanie stałego prądu ładowania, drugi etap polega na dostarczaniu stałego napięcia i stopniowym zmniejszaniu prądu ładowania. Algorytm ten jest sprzętowo zaimplementowany w większości domowych ładowarek akumulatorów.
Przechowywanie i usuwanie odpadów
Akumulator litowo-jonowy może być przechowywany przez długi czas, a jego samorozładowanie wynosi 10-20% rocznie. Jednak właściwości produktu (degradacja) ulegają z czasem stopniowemu pogorszeniu.
Akumulator powinien być przechowywany w temperaturze od +5°C do +25°C i chroniony przed wilgocią. Unikać silnych wibracji, wstrząsów i kontaktu z otwartym ogniem.
Recykling ogniw litowo-jonowych musi być przeprowadzony przez uprawniony zakład recyklingu. Około 80% materiałów z przetworzonych baterii może być ponownie wykorzystane do produkcji nowych baterii.
Bezpieczeństwo
Akumulatory litowo-jonowe, nawet te miniaturowe, niosą ze sobą ryzyko samozapłonu. Szczególne właściwości tego typu baterii wymagają zastosowania środków bezpieczeństwa na wszystkich etapach, od projektowania, poprzez produkcję, aż po przechowywanie.
Aby zwiększyć bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych, podczas ich produkcji we wnętrzu umieszcza się niewielką płytkę elektroniczną - system kontroli i zarządzania, który ma zapobiegać przeciążeniu i przegrzaniu. Mechanizm elektroniczny zwiększa rezystancję obwodu, gdy temperatura wzrasta powyżej ustalonego limitu. Niektóre modele akumulatorów mają wbudowany wyłącznik mechaniczny, który otwiera obwód, gdy ciśnienie wewnątrz akumulatora wzrasta.
Obudowy akumulatorów są również często wyposażone w zawór bezpieczeństwa, który uwalnia ciśnienie w sytuacjach awaryjnych.
Zalety i wady baterii litowych
Zalety tego typu baterii są następujące:
- wysoka gęstość energii;
- brak efektu pamięci;
- długi okres eksploatacji;
- niski współczynnik samorozładowania;
- nie wymaga konserwacji;
- nie wymaga konserwacji; nie wymaga konserwacji; nie wymaga konserwacji.
Bateria litowa ma również wady, takie jak
- ryzyko samozapłonu;
- wyższe koszty niż jego poprzednicy;
- konieczność stosowania wbudowanego sterownika;
- Niepożądane głębokie zrzuty.
Technologia akumulatorów litowo-jonowych jest stale ulepszana, a wiele niedociągnięć stopniowo odchodzi w przeszłość.
Aplikacje
Wysoka gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych wyznacza ich główny obszar zastosowań - przenośne urządzenia elektroniczne: laptopy, tablety, smartfony, kamery, aparaty fotograficzne, systemy nawigacyjne, różne wbudowane czujniki i inne produkty.
Cylindryczny kształt tych baterii pozwala na ich stosowanie w latarkach, telefonach stacjonarnych i innych urządzeniach, które wcześniej zużywały energię z baterii jednorazowych.
Zasada budowy akumulatora litowo-jonowego ma kilka odmian, różniących się rodzajem zastosowanych materiałów (litowo-kobaltowy, litowo-manganowy, litowo-niklowo-manganowo-tlenkowo-kobaltowy itp.) Każda z nich znajduje swoje własne zastosowanie.
Oprócz elektroniki mobilnej, grupa akumulatorów litowo-jonowych jest wykorzystywana w następujących zastosowaniach
- ręczne elektronarzędzia;
- przenośny sprzęt medyczny;
- zasilacze bezprzerwowe;
- systemy bezpieczeństwa;
- moduły oświetlenia awaryjnego;
- elektrownie słoneczne;
- samochody elektryczne i rowery elektryczne.
Biorąc pod uwagę stały postęp w technologii litowo-jonowej oraz sukces akumulatorów o dużej pojemności i niewielkich rozmiarach, możemy spodziewać się, że zakres zastosowań takich akumulatorów będzie się nadal rozszerzał.
Etykietowanie
Akumulatory litowo-jonowe są oznaczone na zewnętrznej obudowie produktu, a kodowanie może się znacznie różnić w zależności od rozmiaru. Nie opracowano jeszcze wspólnego standardu dla wszystkich producentów baterii, ale nadal możliwe jest samodzielne zrozumienie najważniejszych parametrów.
Litery w rzędzie oznaczają typ ogniwa i zastosowane materiały: pierwsza litera I oznacza technologię litowo-jonową, kolejna litera (C, M, F lub N) określa skład chemiczny, trzecia litera R oznacza, że ogniwo nadaje się do ładowania.
Liczby w oznaczeniu rozmiaru oznaczają rozmiar baterii w milimetrach: dwie pierwsze liczby oznaczają średnicę, a dwie kolejne długość. Na przykład 18650 oznacza, że średnica wynosi 18 mm, a długość 65 mm, 0 oznacza cylindryczny współczynnik kształtu.
Ostatnie litery i cyfry w rzędzie to oznaczenia pojemności specyficzne dla producenta. Nie ma też jednolitych standardów dotyczących oznaczania daty produkcji.
