Kľúčovým prvkom mobility elektronických zariadení je nabíjateľná batéria (ACB). Rastúce požiadavky na zabezpečenie ich čo najdlhšej autonómie stimulujú nepretržitý výskum v tejto oblasti a vedú k vzniku nových technologických riešení.
Široko používané nikel-kadmiové (Ni-Cd) a nikel-metal hydridové (Ni-MH) batérie majú alternatívu – najskôr lítiové batérie a potom pokročilejšie lítium-iónové (Li-ion) batérie.
Obsah
História vzhľadu
Prvé takéto batérie sa objavili v 70. rokoch. posledné storočie. Okamžite získali dopyt vďaka pokročilejším vlastnostiam. Anóda prvkov bola vyrobená z kovového lítia, ktorého vlastnosti umožnili zvýšiť mernú energiu. Takto sa zrodili lítiové batérie.
Nové batérie mali značnú nevýhodu – zvýšené riziko výbuchu a vznietenia.Dôvodom bola tvorba lítiového filmu na povrchu elektródy, čo viedlo k narušeniu teplotnej stability. V momente maximálneho zaťaženia by batéria mohla explodovať.
Zdokonalenie technológie viedlo k opusteniu čistého lítia v komponentoch batérií v prospech použitia jeho kladne nabitých iónov. Lítium-iónová batéria sa ukázala ako dobré riešenie.
Tento typ iónovej batérie sa vyznačuje vyššou bezpečnosťou, ktorá sa dosahuje na úkor mierneho poklesu hustoty energie, ale neustály technologický pokrok umožnil znížiť straty v tomto ukazovateli na minimum.
Zariadenie
Zavedenie lítium-iónových batérií do priemyslu spotrebnej elektroniky zaznamenalo prelom po vývoji batérie s katódou z uhlíkového materiálu (grafit) a anódou z oxidu kobaltu.
V procese vybíjania batérie sa lítiové ióny odstraňujú z materiálu katódy a sú obsiahnuté v oxide kobaltu opačnej elektródy, pri nabíjaní proces prebieha v opačnom smere. Lítiové ióny teda vytvárajú elektrický prúd, pohybujúci sa z jednej elektródy na druhú.
Li-Ion batérie sa vyrábajú vo valcovom a hranolovom prevedení. Vo valcovej konštrukcii sú dva pásy plochých elektród oddelené materiálom impregnovaným elektrolytom zvinuté a umiestnené v utesnenom kovovom puzdre. Katódový materiál je nanesený na hliníkovú fóliu a anódový materiál je nanášaný na medenú fóliu.
Prizmatický dizajn batérie sa získa stohovaním pravouhlých dosiek na seba. Tento tvar batérie umožňuje zhustiť rozloženie elektronického zariadenia. Vyrábajú sa aj prizmatické batérie s valcovanými elektródami stočenými do špirály.
Prevádzka a životnosť
Dlhá, plná a bezpečná prevádzka lítium-iónových batérií je možná pri dodržiavaní prevádzkových pravidiel, ich zanedbanie nielen skráti životnosť výrobku, ale môže viesť k negatívnym následkom.
Vykorisťovanie
Kľúčová požiadavka na prevádzku Li-Ion batérií sa týka teploty - prehrievanie by nemalo byť povolené. Vysoké teploty môžu spôsobiť maximálne škody a príčinou prehriatia môže byť tak externý zdroj, ako aj stresujúce režimy nabíjania a vybíjania batérie.
Napríklad zahriatie na 45 °C vedie k 2-násobnému zníženiu schopnosti udržať nabitú batériu. Táto teplota je ľahko dosiahnuteľná, keď je zariadenie vystavené dlhodobému slnku alebo pri prevádzke energeticky náročných aplikácií.
Ak sa výrobok prehrieva, odporúča sa umiestniť ho na chladné miesto, je lepšie ho vypnúť a vybrať batériu.
Pre najlepší výkon batérie v letných horúčavách by ste mali používať režim úspory energie, ktorý je dostupný na väčšine mobilných zariadení.
Nízke teploty majú negatívny vplyv aj na iónové batérie, pri teplotách pod -4°C už batéria nedokáže dodať plný výkon.
Chlad však nie je pre Li-Ion batérie taký škodlivý ako vysoké teploty a väčšinou nespôsobuje trvalé poškodenie. Napriek tomu, že po zahriatí na izbovú teplotu sa pracovné vlastnosti batérie úplne obnovia, netreba zabúdať na pokles kapacity v mraze.
Ďalším odporúčaním pre používanie Li-Ion batérií je zabrániť ich hlbokému vybitiu. Mnohé batérie staršej generácie mali pamäťový efekt, ktorý vyžadoval ich vybitie na nulu a následné úplné nabitie.Li-Ion batérie tento účinok nemajú a ojedinelé prípady úplného vybitia nevedú k negatívnym dôsledkom, ale neustále hlboké vybíjanie je škodlivé. Odporúča sa pripojiť nabíjačku, keď je úroveň nabitia 30%.
Život
Nesprávna prevádzka Li-Ion batérií môže znížiť ich životnosť 10-12 krát. Toto obdobie priamo závisí od počtu nabíjacích cyklov. Predpokladá sa, že batérie typu Li-Ion vydržia 500 až 1 000 cyklov, berúc do úvahy úplné vybitie. Vyššie percento zostávajúceho nabitia pred ďalším nabíjaním výrazne zvyšuje životnosť batérie.
Keďže životnosť Li-Ion batérií je do značnej miery určená prevádzkovými podmienkami, nie je možné u týchto batérií uviesť presnú životnosť. V priemere možno očakávať, že batéria tohto typu vydrží pri dodržaní požadovaných predpisov 7-10 rokov.
Proces nabíjania
Pri nabíjaní sa vyhnite príliš dlhému pripojeniu batérie k nabíjačke. Bežná prevádzka lítium-iónovej batérie prebieha pri napätí nepresahujúcom 3,6 V. Nabíjačky pri nabíjaní dodávajú na vstup batérie 4,2 V. Pri prekročení doby nabíjania môžu v batérii začať nežiaduce elektrochemické reakcie, ktoré povedú k prehriatiu so všetkými z toho vyplývajúcimi dôsledkami.
Vývojári vzali do úvahy takúto vlastnosť - bezpečnosť nabíjania moderných Li-Ion batérií je riadená špeciálnym vstavaným zariadením, ktoré zastaví proces nabíjania, keď napätie stúpne nad prípustnú úroveň.
Pre lítiové batérie je správna metóda dvojstupňového nabíjania.V prvej fáze musí byť batéria nabitá, poskytujúc konštantný nabíjací prúd, druhá fáza musí prebiehať s konštantným napätím a postupným znižovaním nabíjacieho prúdu. Takýto algoritmus je implementovaný v hardvéri vo väčšine domácich nabíjačiek.
Skladovanie a likvidácia
Lítium-iónová batéria môže byť skladovaná po dlhú dobu, samovybíjanie je 10-20% ročne. Zároveň však dochádza k postupnému znižovaniu vlastností produktu (degradácii).
Odporúča sa skladovať takéto batérie na mieste chránenom pred vlhkosťou pri teplote +5 ... + 25 ° С. Silné vibrácie, nárazy a blízkosť otvoreného ohňa sú neprijateľné.
Proces recyklácie lítium-iónových článkov sa musí vykonávať v špecializovaných podnikoch, ktoré majú príslušnú licenciu. Približne 80 % materiálov z recyklovaných batérií možno opätovne použiť pri výrobe nových batérií.
Bezpečnosť
Lítium-iónová batéria, dokonca aj miniatúrnej veľkosti, je plná rizika výbušného samovznietenia. Táto vlastnosť tohto typu batérie vyžaduje dodržiavanie bezpečnostných opatrení vo všetkých fázach, od vývoja až po výrobu a skladovanie.
Na zlepšenie bezpečnosti Li-Ion batérií pri výrobe je v ich puzdre umiestnená malá elektronická doska - monitorovací a riadiaci systém, ktorý je navrhnutý tak, aby eliminoval preťaženie a prehrievanie. Elektronický mechanizmus zvyšuje odpor obvodu, keď teplota stúpne nad vopred stanovenú hranicu. Niektoré modely batérií majú zabudovaný mechanický spínač, ktorý preruší obvod, keď sa tlak vo vnútri batérie zvýši.
V puzdrách batérií je tiež často inštalovaný poistný ventil na uvoľnenie tlaku v prípade núdze.
Výhody a nevýhody lítiových batérií
Výhody tohto typu batérie sú:
- vysoká hustota energie;
- žiadny pamäťový efekt;
- dlhá životnosť;
- nízka miera samovybíjania;
- nie je potrebná údržba;
- zabezpečenie konštantných prevádzkových parametrov v pomerne širokom rozsahu teplôt.
Má lítiovú batériu a nevýhody sú:
- riziko samovznietenia;
- vyššie náklady ako jeho predchodcovia;
- potreba vstavaného ovládača;
- nežiaduci hlboký výboj.
Technológie na výrobu Li-Ion batérií sa neustále zdokonaľujú, mnohé nedostatky sa postupne stávajú minulosťou.
Oblasť použitia
Vysoká energetická hustota lítium-iónových batérií určuje ich hlavnú oblasť použitia - mobilné elektronické zariadenia: notebooky, tablety, smartfóny, videokamery, fotoaparáty, navigačné systémy, rôzne vstavané senzory a množstvo ďalších produktov.
Existencia cylindrického tvaru týchto batérií umožňuje ich použitie v baterkách, pevných telefónoch a iných zariadeniach, ktoré predtým spotrebovávali energiu z jednorazových batérií.
Lítium-iónový princíp konštrukcie batérie má niekoľko druhov, typy sa líšia typom použitých materiálov (lítium-kobalt, lítium-mangán, lítium-nikel-mangán-kobalt-oxid atď.). Každý z nich má svoj vlastný rozsah.
Okrem mobilnej elektroniky sa skupina lítium-iónových batérií používa v nasledujúcich oblastiach:
- ručné elektrické náradie;
- Prenosné lekárske zariadenia;
- neprerušiteľné zdroje energie;
- bezpečnostné systémy;
- moduly núdzového osvetlenia;
- solárne stanice;
- elektrické vozidlá a elektrické bicykle.
Vzhľadom na neustále zdokonaľovanie lítium-iónovej technológie a úspech pri vytváraní vysokokapacitných batérií s malými rozmermi je možné predpovedať rozšírenie aplikácií pre takéto batérie.
Označovanie
Parametre lítium-iónových batérií sú vytlačené na tele výrobku, pričom použité kódovanie sa môže pri rôznych veľkostiach výrazne líšiť. Jednotný štandard označovania batérií pre všetkých výrobcov ešte nebol vyvinutý, ale stále je možné zistiť najdôležitejšie parametre sami.
Písmená v značkovacom riadku označujú typ článku a použité materiály: prvé písmeno I znamená lítium-iónovú technológiu, ďalšie písmeno (C, M, F alebo N) špecifikuje chemické zloženie, tretie písmeno R znamená, že článok je dobíjateľný (Rechargeable).
Čísla v názve veľkosti označujú veľkosť batérie v milimetroch: prvé dve čísla sú priemer a ďalšie dve sú dĺžka. Napríklad 18650 označuje priemer 18 mm a dĺžku 65 mm, 0 označuje cylindrický tvarový faktor.
Posledné písmená a čísla v sérii sú označenia kontajnerov špecifické pre každého výrobcu. Neexistujú ani jednotné normy pre označenie dátumu výroby.
