Ključni element mobilnosti elektronskih naprav je polnilna baterija (baterija). Naraščajoče zahteve po zagotavljanju njihove čim daljše avtonomije spodbujajo nenehno raziskovanje na tem področju in vodijo v nastanek novih tehnoloških rešitev.
Široko uporabljene nikelj-kadmijeve (Ni-Cd) in nikelj-metal-hidridne (Ni-MH) baterije, pojavila se je alternativa - najprej litijeve baterije, nato pa naprednejše litij-ionske baterije (Li-ion).
Vsebina
Zgodovina
Prve tovrstne baterije so se pojavile v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Takoj so postali povpraševani zaradi izboljšanih lastnosti. Anoda celic je bila izdelana iz kovinskega litija, katerega lastnosti so omogočile povečanje energijske gostote. Tako so se pojavile litijeve baterije.
Nove baterije so imele pomembno pomanjkljivost - povečano tveganje eksplozije in vžiga. Razlog je bil nastanek litijevega filma na površini elektrod, kar je povzročilo kršitev temperaturne stabilnosti. V trenutku največje obremenitve lahko baterija eksplodira.
Tehnologija je bila izpopolnjena, kar je povzročilo opustitev čistega litija v komponentah baterije v korist uporabe njegovih pozitivno nabitih ionov.Litij-ionska baterija se je izkazala za uspešno rešitev.
Za to vrsto ionske baterije je značilna večja varnost, ki jo dosežemo z rahlim zmanjšanjem energijske gostote, vendar je nenehen tehnološki napredek omogočil zmanjšanje izgube tega indikatorja.
Naprava
Uvedba litij-ionskih baterij v potrošniško elektroniko je doživela preboj z razvojem baterije s katodo iz ogljikovega materiala (grafita) in anodo iz kobaltovega oksida.
V procesu praznjenja baterije se litijevi ioni odstranijo iz katodnega materiala in vključijo v kobaltov oksid nasprotne elektrode; med polnjenjem pa proces poteka v obratni smeri. Tako električni tok ustvarjajo litijevi ioni, ki se premikajo od ene elektrode do druge.
Li-Ion baterije so izdelane v cilindrični in prizmatični izvedbi. Pri cilindrični izvedbi sta dva traka ploščatih elektrod, ločenih z materialom, impregniranim z elektrolitom, zvita in nameščena v zatesnjenem kovinskem ohišju. Katodni material je nanesen na aluminijasto folijo, anodni material pa na bakreno folijo.
Prizmatično zasnovo baterije dobimo z zlaganjem pravokotnih plošč eno na drugo. Ta oblika baterije omogoča bolj gosto postavitev elektronske naprave. Prizmatične baterije so na voljo tudi z navitimi elektrodami, zvitimi v spiralo.
Delovanje in življenje
Dolgo, polno in varno delovanje litij-ionskih baterij je možno, če upoštevate pravila delovanja, njihovo zanemarjanje pa ne bo le skrajšalo življenjske dobe izdelka, ampak lahko povzroči tudi negativne posledice.
Delovanje
Ključna zahteva za delovanje Li-Ion baterij se nanaša na temperaturo - ne dovolite pregrevanja. Visoka temperatura lahko povzroči največjo škodo, pregrevanje pa lahko povzroči zunanji vir, pa tudi stresni načini polnjenja in praznjenja baterije.
Na primer, segrevanje do 45 °C zmanjša zmogljivost zadrževanja napolnjenosti baterije za faktor 2. To temperaturo zlahka dosežete, ko je naprava dlje časa izpostavljena soncu ali pri izvajanju energetsko intenzivnih aplikacij.
Če se izdelek pregreje, je priporočljivo, da ga postavite na hladno mesto, po možnosti z izklopljeno in odstranjeno baterijo.
Če želite najbolje ohraniti zmogljivost baterije v poletni vročini, uporabite način varčevanja z energijo, ki je na voljo v večini mobilnih naprav.
Nizke temperature negativno vplivajo tudi na ionske baterije, saj pri temperaturah pod -4°C baterija ne more več oddati svoje polne moči.
Toda mraz za Li-Ion baterije ni tako slab kot visoke temperature in največkrat ne povzroči nepopravljive škode. Kljub dejstvu, da se po segrevanju na sobno temperaturo zmogljivost baterije popolnoma obnovi, ne smemo pozabiti na zmanjšanje zmogljivosti v mrazu.
Drugo priporočilo za delovanje Li-Ion baterij - ne dovolite, da se globoko izpraznijo. Številne prejšnje generacije baterij so imele spominski učinek, ki je zahteval izpraznitev na nič, čemur je sledila popolna napolnitev. Li-Ion baterije nimajo tega učinka in občasna polna praznjenja nimajo škodljivih učinkov, vendar so neprekinjena globoka praznjenja škodljiva. Priporočljivo je, da polnilnik priključite pri 30-odstotni stopnji napolnjenosti.
Življenska doba
Nepravilna uporaba Li-Ion baterij lahko skrajša njihovo življenjsko dobo za faktor 10-12. Ta življenjska doba je neposredno povezana s številom ciklov polnjenja. Menijo, da lahko Li-Ion baterije prenesejo od 500 do 1000 ciklov s popolno izpraznitvijo. Višji odstotek preostale napolnjenosti pred naslednjim polnjenjem bistveno podaljša življenjsko dobo baterije.
Ker je življenjska doba Li-Ion baterij v veliki meri odvisna od pogojev delovanja, je nemogoče podati natančno pričakovano življenjsko dobo teh baterij.V povprečju lahko pričakujete, da bo baterija te vrste zdržala 7-10 let, če upoštevate zahtevana pravila.
Postopek polnjenja
Med polnjenjem baterije ne priklapljajte na polnilnik predolgo. Litij-ionska baterija bo delovala normalno z napetostjo, ki ne presega 3,6 voltov. Polnilci baterij bodo med postopkom polnjenja napajali baterijo z napetostjo 4,2 volta. Če je čas polnjenja prekoračen, se lahko v bateriji začnejo nezaželene elektrokemične reakcije, ki vodijo do pregrevanja z vsemi posledicami.
Razvijalci so upoštevali takšno lastnost - varnost polnjenja sodobnih Li-Ion baterij je nadzorovana s posebno vgrajeno napravo, ki ustavi postopek polnjenja, če napetost preseže dovoljeno raven.
Za litijeve baterije je dvostopenjski način polnjenja pravilen način polnjenja. Prva stopnja je polnjenje baterije z zagotavljanjem stalnega polnilnega toka, druga stopnja je zagotavljanje konstantne napetosti in postopno zmanjševanje polnilnega toka. Ta algoritem je strojno implementiran v večini gospodinjskih polnilnikov.
Skladiščenje in odlaganje
Litij-ionsko baterijo lahko shranjujete precej dolgo, samopraznjenje je 10-20% na leto. Toda hkrati se postopoma zmanjšujejo lastnosti izdelka (degradacija).
Priporočljivo je, da takšno baterijo shranite v prostoru, zaščitenem pred vlago, pri +5 ... +25 °C. Močne vibracije, udarci in bližina odprtega ognja so nesprejemljivi.
Postopek recikliranja litij-ionskih celic je treba izvajati v specializiranih obratih, ki imajo ustrezno licenco. Približno 80 % materialov iz recikliranih baterij je mogoče ponovno uporabiti pri proizvodnji novih baterij.
Varnost
Litij-ionska baterija, tudi v svoji miniaturni velikosti, predstavlja nevarnost eksplozivnega samovžiga.Takšna posebnost tovrstnih baterij zahteva varnostne ukrepe v vseh fazah, od načrtovanja do proizvodnje in skladiščenja.
Da bi izboljšali varnost Li-Ion baterij, je med proizvodnjo v njihovo ohišje nameščeno majhno elektronsko vezje, sistem za nadzor in upravljanje, ki je namenjen preprečevanju preobremenitve in pregrevanja. Elektronski mehanizem poveča upor vezja, ko temperatura naraste nad vnaprej določeno mejo. Nekateri modeli baterij imajo vgrajeno mehansko stikalo, ki prekine tokokrog, ko se tlak v bateriji poveča.
Poleg tega imajo ohišja baterij pogosto varnostni ventil, ki razbremeni pritisk v nujnih primerih.
Prednosti in slabosti litijevih baterij
Prednosti te vrste akumulatorja so:
- visoka energijska gostota;
- brez spominskega učinka;
- dolga življenjska doba;
- nizka stopnja samopraznjenja;
- vzdrževanje ni potrebno;
- zagotavljanje nespremenjenih obratovalnih parametrov v relativno širokem temperaturnem območju.
Litijeva baterija ima tudi slabosti, kot so:
- nevarnost spontanega vžiga;
- višji stroški kot njegovi predhodniki;
- potreba po vgrajenem krmilniku;
- nezaželenost globokega praznjenja.
Tehnologija proizvodnje Li-Ion baterij se nenehno izboljšuje, številne pomanjkljivosti postopoma postajajo preteklost.
Aplikacije
Indikator visoke energijske gostote litij-ionskih baterij določa njihovo glavno področje uporabe - mobilne elektronske naprave: prenosne računalnike, tablice, pametne telefone, video kamere, kamere, navigacijske sisteme, različne vgrajene senzorje in številne druge izdelke.
Obstoj cilindrične oblike teh baterij omogoča njihovo uporabo v svetilkah, stacionarnih telefonih in drugih napravah, ki so prej porabljale energijo iz baterij za enkratno uporabo.
Litij-ionski princip izdelave baterije ima več različic, vrste pa se razlikujejo glede na vrsto uporabljenih materialov (litij-kobalt, litij-mangan, litij-nikelj-mangan-kobaltov oksid itd.). Vsak od njih najde svoje področje uporabe.
Poleg mobilne elektronike se skupina litij-ionskih baterij uporablja v naslednjih aplikacijah:
- ročna električna orodja;
- prenosna medicinska oprema;
- neprekinjeni napajalniki;
- varnostni sistemi;
- moduli zasilne razsvetljave;
- sončne elektrarne;
- električni avtomobili in električna kolesa.
Glede na nenehno izboljševanje litij-ionske tehnologije in uspehe pri ustvarjanju baterij velike kapacitete v majhnih dimenzijah lahko napovemo širitev uporabe tovrstnih baterij.
Označevanje
Litij-ionske baterije so označene na zunanjem ohišju baterije, kodiranje pa se lahko zelo razlikuje glede na velikost. Enotni standard za vse proizvajalce označevanja baterij še ni bil razvit, vendar je še vedno mogoče sami razumeti najpomembnejše parametre.
Črke v vrstici označujejo vrsto celice in uporabljene materiale: prva črka I označuje litij-ionsko tehnologijo, naslednja črka (C, M, F ali N) označuje kemično sestavo, tretja črka R pomeni, da celica je polnilna.
Številke v oznaki velikosti označujejo velikost baterije v milimetrih: prvi dve številki označujeta premer, drugi dve pa dolžino. Na primer, 18650 označuje, da je premer 18 mm in dolžina 65 mm, 0 označuje cilindrično obliko.
Zadnje črke in številke v vrstici so oznake zmogljivosti, specifične za proizvajalca. Prav tako ni enotnih standardov za navedbo datuma izdelave.
