Šiuolaikinėje visuomenėje, nuolat didėjant elektroninių prietaisų mobilumui, įkraunamos baterijos (akumuliatoriai) tapo esminiu elementu. Didėjantys reikalavimai užtikrinti kuo ilgesnį autonomiškumą skatina nuolatinius šios srities tyrimus ir padeda rasti naujų technologinių sprendimų. Iš pradžių buvo pristatytos plačiai naudojamų Ni-Cd ir Ni-MH akumuliatorių alternatyvos - ličio akumuliatoriai, vėliau - pažangesni ličio jonų akumuliatoriai.
Įvedimo Istorija
Pirmieji tokie akumuliatoriai atsirado praėjusio amžiaus septintajame dešimtmetyje. Dėl geresnių eksploatacinių savybių jie iš karto tapo paklausūs. Elemento anodas buvo pagamintas iš metalo ličio, kurio savybės leido padidinti energijos tankį. Taip buvo sukurtos ličio baterijos.
Naujieji akumuliatoriai turėjo didelį trūkumą - padidėjusią sprogimo ir užsidegimo riziką. Priežastis - ličio plėvelės susidarymas ant elektrodų paviršiaus, dėl kurio atsirado temperatūros nestabilumas. Esant maksimaliai apkrovai, akumuliatorius galėjo sprogti. Patobulinus technologiją, akumuliatoriaus sudedamosiose dalyse buvo atsisakyta gryno ličio ir imta naudoti teigiamai įkrautus jonus. Ličio jonų akumuliatorius pasirodė esąs sėkmingas sprendimas.
Šio tipo akumuliatoriai turi didesnę saugumo atsargą dėl šiek tiek mažesnio energijos tankio, tačiau dėl technologijų pažangos šį trūkumą pavyko sumažinti iki minimumo. Ličio jonų akumuliatorių diegimas į buitinę elektroniką tapo proveržiu, nes buvo sukurtas akumuliatorius, kurio katodas pagamintas iš anglies medžiagos (grafito), o anodas - iš kobalto oksido.
Dizainas ir Veikimo Principas
Iškrovimo metu ličio jonai pašalinami iš katodo medžiagos ir įterpiami į priešingo elektrodo kobalto oksidą; įkraunant akumuliatorių šis procesas vyksta atvirkščiai. Tokiu būdu ličio jonai, judėdami nuo vieno elektrodo prie kito, sukuria elektros srovę.
Gaminamos cilindrinės ir prizminės formos ličio jonų baterijos. Cilindrinės konstrukcijos dvi plokščių elektrodų juostos, atskirtos elektrolitu impregnuota medžiaga, suvyniojamos ir įdedamos į sandarų metalinį korpusą. Katodo medžiaga yra užtepta ant aliuminio folijos, o anodo medžiaga - ant vario folijos.
Akumuliatoriaus prizminė konstrukcija gaunama sudėjus stačiakampes plokšteles vieną ant kitos. Tokia akumuliatoriaus forma leidžia tankiau išdėstyti elektroninį prietaisą. Prizminės baterijos taip pat gaminamos su spirale susuktais elektrodais.
Elektrodo Medžiagos ir Akumuliatorių Tipai
Anglies Pagrindo Anodai
Grafito pagrindu pagamintos medžiagos dažniausiai naudojamos kaip ličio jonų akumuliatorių anodinės medžiagos dėl mažo ličio potencialo, didelio efektyvumo pirmą kartą, gero dviračio stabilumo, mažos kainos ir kitų privalumų.
Minkštoji anglis, taip pat žinoma kaip lengvai grafitizuojama anglies medžiaga, yra amorfinė anglies medžiaga, kurią galima grafituoti aukštoje, aukštesnėje nei 2500 laipsnių temperatūroje. Apskritai, atsižvelgiant į pirmtakų sukepinimo temperatūros skirtumą, minkšta anglis sukurs tris skirtingas kristalų struktūras, kurios yra amorfinė struktūra, turbulentinė sluoksnio sutrikimo struktūra ir grafito struktūra, o grafito struktūra taip pat paprastai žinoma kaip dirbtinis grafitas.
Kieta anglis, taip pat žinoma kaip sunkiai grafitizuojamos anglies medžiagos, sunkiai grafituojasi net esant aukštesnei nei 2500°C temperatūrai. Ji paprastai gaunama termiškai apdorojant pirmtakus 500-1200°C temperatūroje ir pasižymi dideliu iškrovimo efektyvumu, tampant nauju anodinių medžiagų tyrimų tašku.
Alavo Pagrindo Medžiagos
Medžiagos iš alavo sulaukė didelio dėmesio ir tyrimų dėl didelės specifinės talpos (Sn: 990 mAh/g, SnO2: 1494 mAh/g, atitinkamai du kartus ir daugiau nei keturis kartus didesnės už teorinę grafito anglies talpą), vidutinės įterptosios deličio įtampos, gausių natūralių išteklių, žemos kainos, netoksiškumo, aukšto saugumo ir aplinkos apsaugos. Tai yra ideali medžiaga pakeisti dabartinę komercinę anglį kaip naujos kartos ličio jonų akumuliatorių anodo medžiagas. Tačiau alavo pagrindu pagamintos medžiagos gali keistis fazėmis ir legiravimo reakcijomis, kai jos yra įterptos į litį, todėl gali atsirasti didžiulis tūrio padidėjimas, medžiagos gniuždymas, struktūriniai pažeidimai, greitas pajėgumo mažėjimas ir prastos važiavimo dviračiu savybės.
Kiti Perspektyvūs Anodai ir Baterijos
- Ličio titanatas: Špinelio struktūra, potenciali platforma 1.5V, trimatis jonų difuzijos kanalas, gardelės stabilumas, teorinė talpa 176mAh/g. Ši medžiaga pasižymi didelio saugumo, didelio daugialypumo ir ilgaamžiškumo savybėmis.
- Ličio metalas: Yra vienas iš mažiausiai tankių metalų, kurio standartinis elektrodo potencialas yra -3,04 V, o teorinė talpa yra 3860 mAh/g, o tai nusileidžia tik silicio 4200 mAh/g. Naudojimo sritys yra ličio-sieros baterijos (2600wh/kg), ličio-oro baterijos (11680wh/kg) ir kt. Ličio metalo akumuliatorius pasižymi dideliu našumu, tačiau naudojamas dėl ličio dendritų ir neigiamų kritulių susidarymo.
Ličio Jonų Akumuliatorių Eksploatacija ir Tarnavimo Laikas
Ilgas, patikimas ir saugus ličio jonų akumuliatorių veikimas priklauso nuo tinkamo naudojimo, nes priešingu atveju ne tik sutrumpėja akumuliatoriaus tarnavimo laikas, bet ir gali kilti neigiamų pasekmių.
Eksploatacijos Reikalavimai
- Temperatūra: Pagrindinis Li-Ion akumuliatorių eksploatavimo reikalavimas yra temperatūra - reikia vengti perkaitimo. Aukšta temperatūra gali sukelti didžiausią žalą, o perkaitimą gali sukelti išorinis šaltinis ir įtemptas įkrovimas bei iškrovimas. Pavyzdžiui, įkaitus iki 45 °C, akumuliatoriaus gebėjimas išlaikyti įkrovą sumažėja iki 2 kartų. Tokią temperatūrą galima lengvai pasiekti prietaisą ilgą laiką laikant saulėje arba naudojant daug energijos naudojančias programas. Jei gaminys perkaista, patartina jį pastatyti vėsioje vietoje, geriausia išjungus ir išėmus akumuliatorių. Per vasaros karščius reikėtų naudoti daugumoje mobiliųjų prietaisų esantį energijos taupymo režimą, kad akumuliatorius veiktų kuo geriau. Žema temperatūra taip pat turi neigiamą poveikį ličio jonų akumuliatoriams: esant žemesnei nei -4 °C temperatūrai, akumuliatorius nebegali užtikrinti visos savo talpos. Tačiau šaltis nėra toks žalingas ličio jonų akumuliatoriams, kaip aukšta temperatūra, ir dažniausiai nesukelia nuolatinės žalos. Nors akumuliatorius visiškai atgaus savo savybes sušilęs iki kambario temperatūros, nereikėtų pamiršti, kad šaltyje prarandama jo talpa.
- Gilus iškrovimas: Kita Li-Ion akumuliatorių taisyklė - vengti gilaus iškrovimo. Daugeliui ankstesnių kartų akumuliatorių būdingas atminties efektas, todėl juos reikėjo iškrauti iki nulio ir tada visiškai įkrauti. Li-Ion akumuliatoriams toks poveikis nėra būdingas, nes retkarčiais visiškos iškrovos neturi neigiamo poveikio, tačiau nuolatinės gilios iškrovos yra kenksmingos. Rekomenduojama, kad įkroviklis būtų prijungtas prie 30 % įkrovimo lygio.
Tarnavimo Laikas
Netinkamai naudojant ličio jonų akumuliatorius, jų tarnavimo laikas gali sutrumpėti 10-12 kartų. Šis terminas tiesiogiai susijęs su įkrovimo ciklų skaičiumi. Apskaičiuota, kad visiškai išsikrovę ličio jonų akumuliatoriai gali būti naudojami 500-1000 ciklų. Didesnė likusio įkrovimo dalis prieš kitą įkrovimą gerokai pailgina akumuliatoriaus veikimo laiką.
Kadangi ličio jonų akumuliatorių eksploatavimo trukmę daugiausia lemia eksploatavimo sąlygos, tikslios šių akumuliatorių eksploatavimo trukmės nurodyti neįmanoma. Vidutiniškai tokio tipo akumuliatorius gali tarnauti 7-10 metų, jei laikomasi reikiamų sąlygų.
Įkrovimo Procesas
Įkraudami akumuliatorių į įkroviklį jo neprijunkite ilgam laikui. Ličio jonų akumuliatorius normaliai veikia, kai jo įtampa neviršija 3,6 V. Įkrovimo metu įkrovikliai į akumuliatoriaus įėjimą tiekia 4,2 V įtampą. Jei įkrovimo laikas viršijamas, akumuliatoriuje gali prasidėti nepageidaujamos elektrocheminės reakcijos, dėl kurių akumuliatorius gali perkaisti su visomis iš to išplaukiančiomis pasekmėmis.
Kūrėjai atsižvelgė į šią savybę - šiuolaikinių ličio jonų akumuliatorių įkrovimo saugumą kontroliuoja specialus įmontuotas įtaisas, kuris sustabdo įkrovimo procesą, jei įtampa viršija leistiną lygį. Ličio akumuliatorius teisingai įkraunama dviem etapais. Pirmajame etape akumuliatorius įkraunamas teikiant pastovią įkrovimo srovę, o antrajame etape - teikiant pastovią įtampą ir palaipsniui mažinant įkrovimo srovę. Šis algoritmas aparatine įranga įdiegtas daugumoje buitinių akumuliatorių įkroviklių.
Saugojimas, Šalinimas ir Saugumas
Saugojimas ir Šalinimas
Ličio jonų akumuliatorių galima laikyti ilgai, o jo savaiminio išsikrovimo rodiklis yra 10-20 % per metus. Tačiau laikui bėgant produkto savybės (degradacija) palaipsniui blogėja. Akumuliatorių reikia laikyti nuo +5 °C iki +25 °C temperatūroje ir saugoti nuo drėgmės. Venkite stiprių vibracijų, smūgių ir sąlyčio su atvira liepsna.
Ličio jonų elementų perdirbimas turi būti atliekamas tinkamai licencijuotose perdirbimo įmonėse. Maždaug 80 % perdirbtų baterijų medžiagų gali būti pakartotinai panaudota gaminant naujas baterijas.
Saugumas
Ličio jonų akumuliatorius, net ir miniatiūrinio dydžio, kelia savaiminio užsiliepsnojimo pavojų. Dėl ypatingų šio tipo akumuliatorių savybių saugos priemonių reikia imtis visuose etapuose - nuo projektavimo iki gamybos ir saugojimo.
Siekiant pagerinti ličio jonų akumuliatorių saugumą, gaminant akumuliatorių, į jo vidų įdedama nedidelė elektroninė plokštė - kontrolės ir valdymo sistema, skirta išvengti perkrovos ir perkaitimo. Elektroninis mechanizmas padidina grandinės varžą, kai temperatūra pakyla virš iš anksto nustatytos ribos. Kai kuriuose akumuliatorių modeliuose įmontuotas mechaninis jungiklis, kuris atidaro grandinę, kai akumuliatoriaus viduje padidėja slėgis. Akumuliatorių korpusuose taip pat dažnai būna įrengtas apsauginis vožtuvas, kuris avarijos atveju išleidžia slėgį.
Ličio Akumuliatorių Privalumai ir Trūkumai
Šio tipo akumuliatorių privalumai:
- didelis energijos tankis;
- jokio atminties efekto;
- ilgas tarnavimo laikas;
- mažas savaiminio išsikrovimo greitis;
- nereikia jokios priežiūros.
Ličio baterija taip pat turi trūkumų, pvz.:
- savaiminio užsidegimo rizika;
- brangesnis nei jo pirmtakai;
- reikia įmontuoto valdiklio;
- nepageidautinas gilus iškrovimas.
Li-Ion akumuliatorių technologija nuolat tobulėja, daugelis trūkumų pamažu tampa praeitimi.
Trijų Komponentų Ličio Akumuliatoriai (NMC)
Apibrėžimas ir Sudėtis
Tretinė ličio baterija reiškia antrinę ličio bateriją, naudojančią tris nikelio-kobalto-mangano pereinamojo metalo oksidus. Jis visiškai sujungia ličio kobalto geros cirkuliacijos charakteristikas, didelį ličio nikelio rūgšties santykį ir aukštą ličio mangano anato saugumą bei mažą kainą, o molekuliniu lygiu sintezuoja sudėtinius ličio oksidus, tokius kaip nikelis, kobaltas ir manganas, maišant, dopuojant, padengiant ir paviršiaus modifikuojant. Tai ličio jonų įkraunama baterija, plačiai ištirta ir naudojama.
Tarnavimo Laikas
Vadinamasis ličio baterijos veikimo laikas reiškia, kad akumuliatoriaus talpa sumažėja 70% nominalios talpos (25 ℃, standartinis atmosferos slėgis ir akumuliatoriaus talpa). Ličio geležies fosfatas yra apie 2000 kartų, o ličio titanatas pasiekia 10 000 ciklų. Šiuo metu pagrindiniai akumuliatorių gamintojai žada daugiau nei 500 kartų (įkrovimas ir iškrovimas standartinėmis sąlygomis), tačiau po to, kai iš branduolio pagaminta baterija, dėl nuoseklumo problemų pagrindinė įtampa ir vidinė varža negali būti visiškai vienodi, ir jo ciklo trukmė yra apie 400 kartų. Be to, jei ličio akumuliatoriai dažnai išsikrauna labai padvigubėjus ir esant aukštai temperatūrai, baterijos tarnavimo laikas labai sumažės iki mažiau nei 200 kartų.
Privalumai ir Trūkumai
Tretinė ličio baterija yra palyginti subalansuota, atsižvelgiant į talpą ir saugumą, ir tai yra baterija, pasižyminti puikiomis visapusiškomis savybėmis.
Didelis energijos tankis yra didžiausias trejopos ličio baterijos privalumas, o įtampos platforma yra svarbus akumuliatoriaus energijos tankio rodiklis, nustatantis pagrindinį akumuliatoriaus efektyvumą ir kainą. Kuo didesnė įtampos platforma, tuo didesnė talpa, taigi tas pats tūris, svoris ir net ta pati „Ann“ baterija, akumuliatoriaus platforma yra ilgesnė iš trijų dalių ličio baterijos. Vienos trigubos ličio baterijos iškrovimo įtampos platforma yra iki 3,7 V, o ličio geležies fosfatas - 3,2 V, o ličio titanatas - tik 2,3 V. Todėl, atsižvelgiant į energijos tankį, trimatė ličio baterija turi absoliučių pranašumų prieš ličio geležies fosfatą, ličio manganatą ar ličio titanatą.
Prastas saugumas ir trumpas ciklo tarnavimo laikas yra pagrindinis trimatės ličio baterijos trūkumas, ypač sauga, kuri yra pagrindinis veiksnys, ribojantis didelio masto platinimą ir didelio masto integravimo pritaikymą. Daugybė matavimų rodo, kad didelės talpos triguboms baterijoms sunku išlaikyti tokius saugumo bandymus kaip akupunktūra ir per didelis įkrovimas, todėl tai taip pat yra priežastis, kodėl didelės talpos baterijose paprastai yra daugiau mangano elementų arba netgi sumaišoma su ličio manganatu.
Pagrindinės Ličio Jonų Akumuliatorių Panaudojimo Sritys
Didelis ličio jonų akumuliatorių energijos tankis lemia pagrindinę jų taikymo sritį - mobiliuosius elektroninius prietaisus.
Mobilieji Elektroniniai Prietaisai
- Nešiojamieji kompiuteriai
- Planšetiniai kompiuteriai
- Išmanieji telefonai
- Vaizdo kameros
- Fotoaparatai
- Navigacijos sistemos
- Įvairūs įmontuoti jutikliai ir kiti gaminiai.
Kiti Prietaisai ir Sektoriai
Dėl cilindro formos šių baterijų galima naudoti žibintuvėliuose, fiksuoto ryšio telefonuose ir kituose prietaisuose, kurie anksčiau naudojo vienkartinių baterijų energiją. Ličio jonų akumuliatoriaus konstrukcijos principas yra kelių rūšių, kurios skiriasi naudojamų medžiagų tipais (ličio-kobalto, ličio-mangano, ličio-nikelio-mangano-kobalto-oksido ir t. t.). Kiekvienam iš jų galima rasti savo pritaikymą.
Be mobiliosios elektronikos, ličio jonų akumuliatorių grupė naudojama ir šiose srityse:
- Rankiniai elektriniai įrankiai;
- Nešiojamoji medicinos įranga;
- Nepertraukiamo maitinimo šaltiniai;
- Apsaugos sistemos;
- Avarinio apšvietimo moduliai;
- Saulės elektrinės;
- Elektriniai automobiliai ir elektriniai dviračiai.
Atsižvelgiant į nuolatinę ličio jonų technologijos pažangą ir didelės talpos mažų matmenų akumuliatorių sėkmę, galime tikėtis, kad tokių akumuliatorių taikymo sritys ir toliau plėsis.
Baterija 101: Ličio jonų baterijos veikimo pagrindai
Ličio Jonų Akumuliatorių Ženklinimas
Ličio jonų baterijos yra pažymėtos ant išorinio gaminio korpuso, o kodai gali labai skirtis priklausomai nuo dydžio. Visiems akumuliatorių gamintojams bendras standartas dar nesukurtas, tačiau svarbiausius parametrus vis dar galima suprasti savarankiškai.
- Raidės eilutėje nurodo elemento tipą ir naudojamas medžiagas: pirmoji raidė I reiškia ličio jonų technologiją, kita raidė (C, M, F arba N) nurodo cheminę sudėtį, o trečioji raidė R reiškia, kad elementas yra įkraunamas.
- Skaičiai dydžio žymėjime nurodo akumuliatoriaus dydį milimetrais: pirmieji du skaičiai rodo skersmenį, o kiti du - ilgį. Pavyzdžiui, 18650 reiškia, kad jo skersmuo yra 18 mm, o ilgis - 65 mm, 0 reiškia, kad jis yra cilindro formos.
- Paskutinės raidės ir skaičiai eilutėje - tai konkretaus gamintojo talpos žymėjimas. Be to, nėra vienodų gamybos datos nurodymo standartų.
tags: #kur #naudojami #licio #akumuliatoriai