Nyckelelementet i elektroniska enheters rörlighet är det uppladdningsbara batteriet (batteriet). De ökande kraven på att garantera längsta möjliga autonomi har gett upphov till kontinuerlig forskning på detta område och lett till utveckling av nya tekniska lösningar.
Ett alternativ till de allmänt använda Ni-Cd- och Ni-MH-batterierna introducerades, först litiumbatterier och sedan de mer avancerade litiumjonbatterierna.
Innehåll
Historia
De första batterierna av detta slag uppstod på 1970-talet. De blev omedelbart efterfrågade på grund av deras förbättrade prestanda. Cellanoden tillverkades av metallen litium, vars egenskaper gjorde det möjligt att öka energitätheten. På detta sätt utvecklades litiumbatterier.
De nya batterierna hade en stor nackdel - en ökad risk för explosion och antändning. Orsaken var att det bildades en litiumfilm på elektrodernas yta, vilket ledde till temperaturinstabilitet. Vid maximal belastning kan batteriet explodera.
En förfining av tekniken ledde till att man övergav ren litium i batterikomponenterna till förmån för positivt laddade joner. Litiumjonbatteriet visade sig vara en framgångsrik lösning.
Denna typ av batteri har en högre säkerhetsmarginal på grund av en något lägre energitäthet, men tekniska framsteg har gjort det möjligt att minimera nackdelen.
Anordningen
Införandet av litiumjonbatterier i konsumentelektronik har fått ett genombrott i och med utvecklingen av ett batteri med en katod av kolmaterial (grafit) och en anod av koboltoxid.
Vid urladdningsprocessen avlägsnas litiumjoner från katodmaterialet och införlivas i koboltoxiden i den motsatta elektroden; vid laddning går processen i motsatt riktning. På detta sätt skapar litiumjonerna elektrisk ström genom att förflytta sig från den ena elektroden till den andra.
Li-Ion-batterier tillverkas i cylindriska och prismatiska modeller. I den cylindriska konstruktionen är två band av platta elektroder separerade av elektrolytimpregnerat material upprullade och placerade i ett förseglat metallhölje. Katodmaterialet appliceras på aluminiumfolie och anodmaterialet på kopparfolie.
Batteriets prismatiska utformning uppnås genom att rektangulära plattor staplas på varandra. Batteriets form gör det möjligt att göra den elektroniska enheten tätare. Prismatiska batterier finns också med spiralformade elektroder som är vridna till en spiral.
Drift och livslängd
Lång, pålitlig och säker drift av litiumjonbatterier är beroende av korrekt användning, annars förkortas inte bara batteriets livslängd utan kan också leda till negativa konsekvenser.
Operation
Det viktigaste kravet för Li-Ion-batterier är temperatur - överhettning måste undvikas. Höga temperaturer kan orsaka maximal skada, och överhettning kan orsakas av en extern källa samt av stressiga laddnings- och urladdningsmetoder.
Uppvärmning till 45 °C minskar till exempel batteriets förmåga att hålla en laddning med upp till två gånger. Denna temperatur kan lätt uppnås genom att enheten exponeras för solen under långa perioder eller genom att energiintensiva program körs.
Om produkten överhettas är det lämpligt att placera den på en sval plats, helst med batteriet avstängt och borttaget.
I sommarens hetta bör batteriets energisparläge, som finns på de flesta mobila enheter, användas för att hålla batteriet på topp.
Låga temperaturer har också en negativ effekt på Li-Ion-batterier, vid temperaturer under -4 °C kan batteriet inte längre leverera sin fulla kapacitet.
Köld är dock inte lika skadligt för Li-Ion-batterier som höga temperaturer och orsakar oftast inga permanenta skador. Även om batteriet återfår sin fulla kapacitet när det har värmts upp till rumstemperatur, får du inte glömma bort kapacitetsförlusten i kyla.
En annan tumregel för Li-Ion-batterier är att inte låta dem bli djupt urladdade. Många tidigare generationer av batterier hade en minneseffekt som innebar att de måste laddas ner till noll och sedan laddas helt. Li-Ion-batterier har inte denna effekt, och tillfälliga fullständiga urladdningar har inga negativa effekter, men kontinuerliga djupa urladdningar är skadliga. Det rekommenderas att laddaren ansluts till en laddningsnivå på 30 %.
Livstid
Felaktig användning av Li-Ion-batterier kan förkorta deras livslängd med en faktor 10-12. Denna term är direkt relaterad till antalet laddningscykler. Man uppskattar att Li-Ion-batterier kan användas i mellan 500 och 1000 cykler när de är helt urladdade. En högre procentuell andel återstående laddning före nästa laddning ökar batteriets livslängd avsevärt.
Eftersom Li-Ion-batteriernas livslängd i stor utsträckning bestäms av driftsförhållandena är det inte möjligt att ange en exakt förväntad livslängd för dessa batterier. I genomsnitt kan du räkna med att ett batteri av den här typen håller i 7-10 år om du följer de nödvändiga villkoren.
Laddningsprocess
Undvik att sätta in batteriet i laddaren under en alltför lång tid när det laddas. Litiumjonbatteriet fungerar normalt med en spänning som inte överstiger 3,6 volt. Laddare applicerar 4,2 V på batteriingången under laddningsprocessen. Om laddningstiden överskrids kan oönskade elektrokemiska reaktioner starta i batteriet, vilket leder till överhettning med alla de konsekvenser som följer.
Utvecklarna har tagit hänsyn till denna funktion - säkerheten vid laddning av moderna Li-Ion-batterier kontrolleras av en särskild inbyggd enhet som stoppar laddningen om spänningen stiger över den tillåtna nivån.
För litiumbatterier är en tvåstegsladdningsmetod det rätta sättet att ladda dem. Det första steget är att ladda batteriet genom att tillhandahålla en konstant laddningsström, det andra steget är att tillhandahålla en konstant spänning och gradvis minska laddningsströmmen. Den här algoritmen är hårdvaruimplementerad i de flesta batteriladdare för hushållsbruk.
Förvaring och bortskaffande
Ett litiumjonbatteri kan lagras under lång tid, med en självurladdning på 10-20 % per år. Produktens egenskaper (degradering) försämras dock gradvis med tiden.
Batteriet ska förvaras vid +5 °C till +25 °C och skyddas från fukt. Undvik kraftiga vibrationer, stötar eller kontakt med öppen eld.
Återvinning av litiumjonceller måste utföras av godkända återvinningsanläggningar. Nästan 80 % av materialen i återvunna batterier kan återanvändas vid tillverkningen av nya batterier.
Säkerhet
Ett litiumjonbatteri, även i miniatyrstorlek, innebär en risk för explosiv självantändning. De speciella egenskaperna hos denna typ av batterier kräver säkerhetsåtgärder i alla skeden, från konstruktion till produktion och lagring.
För att öka säkerheten i Li-Ion-batterier placeras ett litet elektroniskt kretskort, ett kontroll- och styrsystem som är utformat för att förhindra överbelastning och överhettning, inuti batteriet under tillverkningen. Den elektroniska mekanismen ökar kretsens motstånd när temperaturen stiger över en förutbestämd gräns. Vissa batterimodeller har en inbyggd mekanisk strömbrytare som öppnar kretsen när trycket i batteriet ökar.
Batterihusen är också ofta utrustade med en säkerhetsventil som släpper ut trycket i nödfall.
För- och nackdelar med litiumbatterier
Fördelarna med denna typ av batteri är:
- hög energitäthet;
- ingen minneseffekt;
- lång livslängd;
- låg självurladdningshastighet;
- inget underhåll krävs;
- inget behov av underhåll, inget behov av underhåll, inget behov av underhåll, inget behov av underhåll.
Litiumbatteriet har också nackdelar, t.ex.
- risk för självantändning;
- högre kostnad än sina föregångare;
- behovet av en inbyggd styrenhet;
- att det inte är önskvärt med djupa urladdningar.
Tekniken för Li-Ion-batterier förbättras ständigt och många brister håller gradvis på att försvinna.
Tillämpningar
Litiumjonbatteriernas höga energitäthet bestämmer deras huvudsakliga användningsområde - mobila elektroniska apparater: bärbara datorer, surfplattor, smartphones, videokameror, kameror, navigationssystem, olika inbyggda sensorer och andra produkter.
Den cylindriska formfaktorn hos dessa batterier gör att de kan användas i ficklampor, fasta telefoner och andra apparater som tidigare förbrukade energi från engångsbatterier.
Principen för litiumjonbatterier har flera olika varianter, som skiljer sig åt i fråga om de material som används (litium-kobolt, litium-mangan, litium-nickel-mangan-kobolt-oxid osv.). Var och en har sin egen tillämpning.
Förutom inom mobilelektronik används litiumjonbatterier i följande tillämpningar
- handhållna elverktyg;
- bärbar medicinsk utrustning;
- avbrottsfri strömförsörjning;
- säkerhetssystem;
- Moduler för nödbelysning;
- solkraftverk;
- elbilar och elcyklar.
Med tanke på de ständiga framstegen inom litiumjontekniken och framgångarna med små batterier med hög kapacitet kan vi förvänta oss att användningsområdena för sådana batterier kommer att fortsätta att öka.
Märkning
Litiumjonbatterier är märkta på produktens yttre hölje och kodningen kan variera markant från storlek till storlek. En gemensam standard för alla batteritillverkare har ännu inte utvecklats, men det är fortfarande möjligt att förstå de viktigaste parametrarna på egen hand.
Bokstäverna i raden anger typen av cell och de material som används: den första bokstaven I anger litiumjonteknik, nästa bokstav (C, M, F eller N) anger den kemiska sammansättningen, den tredje bokstaven R betyder att cellen är uppladdningsbar.
Siffrorna i storleksbeteckningen anger batteriets storlek i millimeter: de två första siffrorna anger diametern och de två andra siffrorna längden. Exempelvis anger 18650 att diametern är 18 mm och längden 65 mm, 0 anger den cylindriska formfaktorn.
De sista bokstäverna och siffrorna i raden är tillverkarspecifika kapacitetsmärkningar. Det finns inte heller några enhetliga standarder för att ange tillverkningsdatum.
