Kľúčovým prvkom mobility elektronických zariadení je nabíjateľná batéria (akumulátor). Rastúce požiadavky na zabezpečenie čo najdlhšej autonómie podnietili neustály výskum v tejto oblasti a viedli k vývoju nových technologických riešení.
Alternatívou k bežne používaným Ni-Cd a Ni-MH batériám boli najprv lítiové batérie a potom pokročilejšie lítium-iónové batérie.
Obsah
História
Prvé batérie tohto druhu vznikli v 70. rokoch 20. storočia. Vďaka lepšiemu výkonu boli okamžite žiadané. Anóda článku bola vyrobená z kovového lítia, ktorého vlastnosti umožnili zvýšiť hustotu energie. Takto boli vyvinuté lítiové batérie.
Nové batérie mali veľkú nevýhodu - zvýšené riziko výbuchu a vznietenia. Dôvodom bola tvorba lítneho filmu na povrchu elektród, čo viedlo k teplotnej nestabilite. Pri maximálnom zaťažení by batéria mohla explodovať.
Zdokonalenie technológie viedlo k upusteniu od čistého lítia v komponentoch batérie v prospech použitia kladne nabitých iónov. Lítium-iónová batéria sa ukázala ako úspešné riešenie.
Tento typ batérie má vyššiu bezpečnostnú rezervu kvôli o niečo nižšej hustote energie, ale technologický pokrok umožnil túto nevýhodu minimalizovať.
Zariadenie
Zavedenie lítium-iónových batérií do spotrebnej elektroniky zaznamenalo prelom vďaka vývoju batérie s katódou z uhlíkového materiálu (grafitu) a anódou z oxidu kobaltu.
Pri vybíjaní sa z materiálu katódy odstraňujú ióny lítia a včleňujú sa do oxidu kobaltu na opačnej elektróde; počas nabíjania prebieha proces opačným smerom. Ióny lítia tak vytvárajú elektrický prúd pohybom z jednej elektródy na druhú.
Li-Ion batérie sa vyrábajú vo valcovom a prizmatickom vyhotovení. Vo valcovom prevedení sú dva pásy plochých elektród oddelené materiálom napusteným elektrolytom zrolované a umiestnené v uzavretom kovovom puzdre. Katódový materiál je nanesený na hliníkovej fólii a anódový materiál na medenej fólii.
Prizmatická konštrukcia batérie sa získava ukladaním obdĺžnikových dosiek na seba. Tento tvar batérie umožňuje, aby bolo elektronické zariadenie hustejšie. Prizmatické batérie sú k dispozícii aj s navinutými elektródami stočenými do špirály.
Prevádzka a životnosť
Dlhá, spoľahlivá a bezpečná prevádzka lítium-iónových batérií závisí od ich správneho používania, inak sa nielen skracuje životnosť batérie, ale môže to viesť aj k negatívnym následkom.
Operácia
Kľúčovou požiadavkou na prevádzku Li-Ion batérií je teplota - je potrebné zabrániť prehriatiu. Vysoké teploty môžu spôsobiť maximálne poškodenie a prehriatie môže byť spôsobené vonkajším zdrojom, ako aj stresujúcim nabíjaním a vybíjaním.
Napríklad zahriatie na 45 °C zníži schopnosť batérie udržať nabitie až 2-krát. Túto teplotu možno ľahko dosiahnuť dlhodobým vystavením zariadenia slnku alebo spustením energeticky náročných aplikácií.
Ak sa výrobok prehreje, odporúčame ho umiestniť na chladné miesto, najlepšie s vypnutou a vybratou batériou.
V letných horúčavách by sa mal používať režim úspory energie, ktorý je k dispozícii vo väčšine mobilných zariadení, aby batéria fungovala čo najlepšie.
Nízke teploty majú tiež negatívny vplyv na Li-Ion batérie, pri teplotách nižších ako -4 °C už batéria nedokáže poskytnúť svoju plnú kapacitu.
Chlad však nie je pre Li-Ion batérie taký škodlivý ako vysoké teploty a väčšinou nespôsobuje trvalé poškodenie. Hoci batéria po zahriatí na izbovú teplotu plne obnoví svoj výkon, netreba zabúdať na stratu kapacity v chlade.
Ďalším pravidlom pre Li-Ion batérie je vyhýbať sa hlbokému vybíjaniu. Mnohé predchádzajúce generácie batérií mali pamäťový efekt, ktorý si vyžadoval ich vybitie na nulu a následné plné nabitie. Li-Ion batérie tento účinok nemajú, pričom príležitostné úplné vybitie nemá nepriaznivé účinky, ale nepretržité hlboké vybíjanie je škodlivé. Odporúča sa, aby bola nabíjačka pripojená pri úrovni nabíjania 30 %.
Životnosť
Nesprávne používanie Li-Ion batérií môže skrátiť ich životnosť 10 až 12-krát. Tento termín priamo súvisí s počtom nabíjacích cyklov. Odhaduje sa, že Li-Ion batérie možno v úplne vybitom stave používať 500 až 1000 cyklov. Vyššie percento zostávajúceho nabitia pred ďalším nabíjaním výrazne predĺži životnosť batérie.
Keďže dĺžka životnosti Li-Ion batérií do značnej miery závisí od prevádzkových podmienok, nie je možné uviesť presnú očakávanú životnosť týchto batérií. Pri dodržaní požadovaných podmienok môžete od batérie tohto typu očakávať priemernú životnosť 7-10 rokov.
Proces nabíjania
Pri nabíjaní nezapájajte batériu do nabíjačky na príliš dlhý čas. Lítium-iónová batéria bude normálne fungovať pri napätí nepresahujúcom 3,6 V. Nabíjačky privádzajú počas nabíjania na vstup batérie napätie 4,2 V. Ak sa prekročí čas nabíjania, môžu sa v batérii spustiť nežiaduce elektrochemické reakcie, ktoré povedú k prehriatiu so všetkými následkami.
Vývojári zohľadnili takúto vlastnosť - bezpečnosť nabíjania moderných Li-Ion batérií je kontrolovaná špeciálnym zabudovaným zariadením, ktoré zastaví proces nabíjania, ak napätie prekročí povolenú úroveň.
V prípade lítiových batérií je správnym spôsobom ich nabíjania dvojstupňový proces nabíjania. V prvom stupni sa batéria nabíja poskytovaním konštantného nabíjacieho prúdu, v druhom stupni sa poskytuje konštantné napätie a postupne sa znižuje nabíjací prúd. Tento algoritmus je hardvérovo implementovaný vo väčšine domácich nabíjačiek batérií.
Skladovanie a likvidácia
Lítium-iónová batéria sa dá skladovať dlhý čas, pričom jej samovybíjanie je 10-20 % za rok. Vlastnosti výrobku (degradácia) sa však časom postupne zhoršujú.
Batéria by sa mala skladovať pri teplote +5 °C až +25 °C a mala by byť chránená pred vlhkosťou. Vyhnite sa silným vibráciám, otrasom alebo kontaktu s otvoreným ohňom.
Recykláciu lítium-iónových článkov musí vykonávať schválené recyklačné zariadenie. Približne 80 % materiálov z recyklovaných batérií sa dá opätovne použiť pri výrobe nových batérií.
Bezpečnosť
Lítium-iónová batéria, aj keď je miniatúrnej veľkosti, predstavuje riziko samovznietenia. Osobitné vlastnosti tohto typu batérií si vyžadujú bezpečnostné opatrenia vo všetkých fázach, od návrhu až po výrobu a skladovanie.
Na zvýšenie bezpečnosti Li-Ion batérií sa počas výroby do batérie umiestňuje malý elektronický obvod, kontrolný a riadiaci systém, ktorý má zabrániť preťaženiu a prehriatiu. Elektronický mechanizmus zvyšuje odpor obvodu, keď teplota stúpne nad vopred stanovenú hranicu. Niektoré modely batérií majú zabudovaný mechanický spínač, ktorý otvorí obvod, keď sa zvýši tlak v batérii.
Puzdrá batérií sú často vybavené aj bezpečnostným ventilom, ktorý v prípade núdze uvoľní tlak.
Výhody a nevýhody lítiových batérií
Výhody tohto typu batérie sú:
- vysoká hustota energie;
- žiadny pamäťový efekt;
- dlhá životnosť;
- nízka miera samovybíjania;
- nie je potrebná žiadna údržba;
- nie je potrebná údržba; nie je potrebná údržba; nie je potrebná údržba.
Lítiová batéria má aj nevýhody, ako napr.
- riziko samovznietenia;
- vyššie náklady ako jeho predchodcovia;
- potrebu zabudovaného ovládača;
- nežiaduce hlboké vybitie.
Technológia Li-Ion batérií sa neustále zlepšuje, mnohé nedostatky sa postupne stávajú minulosťou.
Aplikácie
Vysoká energetická hustota lítium-iónových batérií určuje ich hlavnú oblasť použitia - mobilné elektronické zariadenia: notebooky, tablety, smartfóny, kamery, fotoaparáty, navigačné systémy, rôzne zabudované snímače a ďalšie produkty.
Existencia valcovitého tvaru týchto batérií umožňuje ich použitie vo svietidlách, telefónoch pevnej linky a iných zariadeniach, ktoré predtým spotrebúvali energiu z jednorazových batérií.
Princíp konštrukcie lítium-iónových batérií má niekoľko variantov, pričom typy sa líšia typom použitých materiálov (lítium-kobalt, lítium-mangán, lítium-nikel-mangán-oxid kobaltu atď.). Každý z nich si nájde svoje uplatnenie.
Okrem mobilnej elektroniky sa skupina lítium-iónových batérií používa v týchto aplikáciách
- ručné elektrické náradie;
- prenosné zdravotnícke vybavenie;
- neprerušiteľné zdroje napájania;
- bezpečnostné systémy;
- moduly núdzového osvetlenia;
- solárne elektrárne;
- elektrické autá a elektrické bicykle.
Vzhľadom na neustály pokrok v lítium-iónovej technológii a úspech veľkokapacitných batérií malých rozmerov môžeme predpokladať, že rozsah použitia takýchto batérií sa bude naďalej rozširovať.
Označovanie
Lítium-iónové batérie sú označené na vonkajšom kryte výrobku a kódovanie sa môže v jednotlivých veľkostiach výrazne líšiť. Spoločný štandard pre všetkých výrobcov batérií zatiaľ nebol vypracovaný, ale najdôležitejšie parametre je možné zistiť aj samostatne.
Písmená v riadku označujú typ článku a použité materiály: prvé písmeno I označuje lítium-iónovú technológiu, ďalšie písmeno (C, M, F alebo N) určuje chemické zloženie, tretie písmeno R znamená, že článok je nabíjateľný.
Čísla v označení veľkosti udávajú veľkosť batérie v milimetroch: prvé dve čísla udávajú priemer a ďalšie dve dĺžku. Napríklad 18650 označuje priemer 18 mm a dĺžku 65 mm, 0 označuje valcový tvar.
Posledné písmená a číslice v riadku sú označenia kapacity špecifické pre výrobcu. Neexistujú ani jednotné normy na uvedenie dátumu výroby.
