Ličio jonų baterijos yra populiarus akumuliatorių chemijos tipas, kurio pagrindinis privalumas - galimybė jas įkrauti. Dėl šios savybės jos plačiai naudojamos daugelyje šiuolaikinių vartotojų prietaisų, tokių kaip mobilieji telefonai, elektrinės transporto priemonės ir baterijomis maitinami golfo vežimėliai. Augantis susidomėjimas elektriniais dviračiais, nešiojamomis elektrinėmis ir atsinaujinančios energijos sprendimais paskatino didelės talpos ličio jonų akumuliatorių poreikį. Šios baterijos yra skirtos kaupti daugiau energijos, leidžiančios išplėsti naudojimą be dažnų įkrovimų.
Kas yra Ličio Jonų Akumuliatoriai?
Supaprastintai, baterijos celė susideda iš dviejų metalų, panardintų į elektrolito tirpalą. Vykstant cheminei reakcijai susidaro elektronų srautas nuo vieno metalo link kito, taip sukuriant įtampos skirtumą tarp neigiamo ir teigiamo polių. Litis yra lengviausias metalas, pasižymintis aukštu elektrocheminiu potencialu, todėl jis yra tinkamas baterijų gamybai. Tačiau litis yra labai nestabilus metalas, todėl baterijose pirmiausia pradėta naudoti nemetalo ličio jonų junginį. Šios baterijos naudoja skystą elektrolito tirpalą, kuriam būtinas standus, paprastai cilindro formos konteineris.
Ličio Jonų Polimerų (LiPo) Akumuliatoriai
Ličio jonų polimerų (LiPo) baterija naudoja gelio tipo polimerą kaip elektrolitą. Dėl to baterija gali būti bet kokios formos ir nebūtinai turi turėti standų, kietą apvalkalą. LiPo baterijos pasižymi didžiausiu energijos tankiu, nes tarp atskirų LiPo celių nėra tuščių tarpų, kurie atsirastų dėl cilindrinių formų Li-ion baterijose. Šios savybės (bet kokia forma ir didžiausias energijos tankis) lėmė LiPo populiarumą hobio srityje, ypač RC lėktuvuose, sraigtasparniuose ir, šiuo metu, RC automobiliuose. Atskira LiPo celė turi nominalią 3.7V įtampą. Svarbu pabrėžti, kad LiPo celei nerekomenduojama išsikrauti žemiau 3.0V įtampos (geriau bent 3V).
3,6V Ličio Jonų Akumuliatoriai
3,6V ličio jonų akumuliatorius yra įkraunamas akumuliatorius, kuriame elektros energijai gaminti naudojami ličio jonai. Jo vidutinė darbinė įtampa iškrovos ciklo metu yra 3,6V, tačiau tikroji įtampa gali svyruoti nuo 3.0V iki 4,2V. Dėl kompaktiško dydžio ir didelio energijos tankio šie akumuliatoriai dažnai naudojami nešiojamojoje elektronikoje, pavyzdžiui, išmaniuosiuose telefonuose, planšetiniuose kompiuteriuose ir nešiojamuosiuose kompiuteriuose.
Ličio baterija vs. Ličio jonų baterija
Svarbu atskirti ličio baterijas ir ličio jonų baterijas. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad pastarosios yra įkraunamos. Ličio baterija nenaudojama gali tarnauti iki 12 metų, o ličio jonų baterijų galiojimo laikas yra iki 3 metų.
Ličio Jonų Akumuliatorių Veikimo Principas ir Sandara
Ličio jonų akumuliatoriai susideda iš vieno ar kelių ličio jonų elementų, papildomai turinčių apsauginę plokštę, kuri saugo nuo perkrovimo. Elementai, įstatyti į korpusą su apsaugine plokšte, vadinami akumuliatoriais.
Pagrindiniai komponentai
Ličio jonų elementus sudaro keturi pagrindiniai komponentai:
- Anodas: Leidžia elektrai judėti iš akumuliatoriaus į išorinę grandinę ir kaupia ličio jonus, kai akumuliatorius kraunamas.
- Katodas: Nulemia elemento talpą ir įtampą, gamina ličio jonus, kai akumuliatorius iškraunamas.
- Elektrolitas: Tarnauja kaip kanalas ličio jonams judėti tarp katodo ir anodo. Jį sudaro druskos, priedai ir įvairūs tirpikliai.
- Separatorius: Fizinis barjeras, atskiriantis katodą ir anodą, neleidžiantis laisvam elektronų srautui baterijos viduje.
Veikimo principas grindžiamas ličio jonų judėjimu tarp katodo ir anodo per elektrolitą. Judėdami jonai aktyvuoja laisvuosius elektronus anode, sukurdami krūvį teigiamo srovės kolektoriuje. Šie elektronai teka per įrenginį (pvz., telefoną ar golfo vežimėlį) į neigiamą kolektorių ir atgal į katodą. Įkraunant ličio jonų akumuliatorių, katodas išskiria ličio jonus, kurie juda link anodo. Iškraunant, ličio jonai juda iš anodo į katodą, taip sukurdami srovės tėkmę.
Akumuliatorių celių jungimas
LiPo baterijos daromos iš kelių celių, jungiant jas lygiagrečiai arba nuosekliai. Norint suprasti, kaip celės dedamos kartu, svarbu turėti bendrą supratimą apie įtampą (matuojamą V) ir talpą (matuojamą mAh arba kartais Ah). Populiariai sakant, įtampa būtų baterijos „jėga“, o talpa - baterijos „energijos kiekis“.
- Nuoseklus jungimas (Series - S): Jungiant celes nuosekliai, sudedame celių įtampą (didiname baterijos „jėgą“), tačiau baterijos talpa lieka ta pati. Pavyzdžiui, trys 3.7V / 2100mAh celės, sujungtos nuosekliai (3S), sudarytų 11.1V įtampos bateriją, kurios talpa liktų 2100mAh.
- Lygiagretus jungimas (Parallel - P): Lygiagrečiai jungiant celes, sudedame celių talpą (didiname baterijos „energijos kiekį“), tačiau baterijos įtampa lieka ta pati. Pavyzdžiui, trys 3.7V / 2100mAh celės, sujungtos lygiagrečiai (3P), sudarytų 3.7V įtampos bateriją, kurios talpa taptų 6300mAh.
Dėka tokių sujungimų galima pagaminti reikiamos talpos ir įtampos bateriją. Pavyzdžiui, baterijai pagaminti panaudotos aštuonios celės, sujungtos po dvi nuosekliai ir po keturias lygiagrečiai. Toks sujungimas turi savo žymėjimą 2S4P. Vadovaujantis pateiktais pavyzdžiais, tokia baterija turėtų 7.4V įtampą (dvi celės nuosekliai) ir 8400mAh talpą (keturios celės lygiagrečiai).
Ličio Jonų Akumuliatorių Parametrai ir Valdymas
Pirkdami ličio bateriją, turime žinoti pagrindinius ličio jonų akumuliatoriaus parametrus:
- Akumuliatoriaus talpa: Vienas iš svarbių akumuliatoriaus veikimo rodiklių, nurodantis elektros energijos kiekį, kurį baterija gali atiduoti tam tikromis sąlygomis. Akumuliatoriaus talpa matuoja elektrinės energijos kiekį, kurį akumuliatorius gali laikyti, paprastai išreikštą miliampervalandėmis (mAh) atskiroms celėms arba kilovatvalandėmis (kWh) didesnėms sistemoms. Jei ličio jonų akumuliatoriaus talpa yra 10 Ah, tai reiškia, kad jis gali tiekti 1 ampero srovę 10 valandų. Didžiausia patikima talpa dažnai siekia apie 3600mAh pavienėms celėms.
- C (Iškrovos ir įkrovimo greitis): Tai talpos skaitinė vertė. Jei akumuliatoriaus talpa yra 1300mAh, tai 1C reiškia 1300mA (1,3 ampero). 20C reikštų 20 × 1,3 = 26 ampero. LiPo akumuliatorių įkrovimo/iškrovimo srovės tiesiogiai priklauso nuo akumuliatoriaus talpos. Atiduodamos srovės rodiklis C dažniausiai kinta tarp 35C ir 55C. Jis visada nurodomas ant akumuliatoriaus ir jo pakuotės.
Pavyzdys: jei turime 7500 mAh talpos akumuliatorių, kurio atidavimo srovės rodiklis yra 55C (110C yra momentinis), tai skaičiuojame: 7,5Ah × 55C = 412,5A.
- DOD (Iškrovos gylis): Akumuliatoriaus iškrautos talpos procentas, lyginant su nominalia talpa.
- SOC (Įkrovos būsena): Likusios akumuliatoriaus energijos procentinė dalis, lyginant su nominalia talpa.
- SOH (Sveikatos būklė): Akumuliatoriaus būklė (įskaitant talpą, galią, vidinį atsparumą ir kt.).
- Vidinis akumuliatoriaus atsparumas: Svarbus akumuliatoriaus veikimo parametras. Didelis vidinis atsparumas sumažina akumuliatoriaus darbinę įtampą išsikrovus, padidina energijos nuostolius ir skatina akumuliatoriaus įkaitimą. Jį veikia akumuliatoriaus medžiaga, gamybos procesas, struktūra ir kiti veiksniai.
- Ciklo gyvenimas: Įkrovimo ir iškrovimo ciklų skaičius, kurį akumuliatorius gali atlaikyti, kol jo talpa sumažės iki nustatytos vertės. Vienas ciklas reiškia vieną pilną įkrovimą ir vieną išsikrovimą.
Įkrovimas ir saugumo priemonės
Ličio jonų akumuliatorius įkrauti reikia TIK tam skirtus įkroviklius. LiPo akumuliatorius rekomenduojama krauti NE DAUGIAU nei 1C srove. Pavyzdžiui, 2200mAh talpos akumuliatorių krauname maksimalia 2,2 ampero srove. Balansavimui naudojama įkroviklio balansavimo jungtis. Viena celė gali įsikrauti ne daugiau nei 4,2V. Perkrauti akumuliatorių negalima, nes priešingu atveju jį reikėtų utilizuoti.
LiPo akumuliatorių nereikia iškrauti tam, kad pilnai įkrauti. Apskritai, LiPo akumuliatorių pilnai iškrauti NEGALIMA - kiekvienoje celėje turi likti bent 2,8V (o geriau bent 3V). Jei iškraunama mažiau, akumuliatorius turi būti utilizuojamas, jokiais būdais nemetant jo į šiukšlių konteinerius ar kitas potencialiai degias vietas.
Jei akumuliatorius buvo pažeistas ar bent viena celė išsipūtė, jį reikia utilizuoti. Gudresni modeliuotojai išardo akumuliatorių ir pasilieka likusias celes. LiPo akumuliatoriai negali būti laikomi ilgiau nei 2 savaites pilnai pakrauti, nes gali įvykti išsipūtimo efektas, kai akumuliatorius savo sukauptą energiją atiduoda į šilumą ir taip pats save susigadina. Dėl to akumuliatoriai dažnai atkeliauja pusiau pakrauti.
Kol akumuliatoriai saugomi, juos reikia laikyti iki pusės įkrautus - nei visiškai iškrautų, nei pilnai įkrautų. Pilnai akumuliatoriai įkraunami tik prieš pat naudojimą, o pilnai (tiksliau iki leistinos ribos) iškraunami tik naudojimo metu. Jungti lygiagrečiai ar nuosekliai du skirtingų charakteristikų akumuliatorius NEGALIMA, nes atsisveikinsite su silpnesniu akumuliatoriumi.
Akumuliatorių šilimas ir jungtys
Akumuliatorių šilimas yra normalus dalykas, nes vykdant chemines reakcijas išsiskiria šiluma. Kuo greičiau vyksta reakcija (greitas įkrovimas), tuo daugiau šilumos išsiskiria. 50-60 laipsnių Celsijaus temperatūra yra normalu. Tačiau reikėtų atkreipti dėmesį į jungtis: balta Tamya jungtis reiškia, kad akumuliatorius tinka modeliams, kuriems nereikalinga didelė iškrova (dažniausiai RTR tipo modeliai). Galingesniems modeliams reikalingi galingesni akumuliatoriai su raudona T formos jungtimi arba paauksuotais 4 mm bananais, kadangi silpna jungtis paprasčiausiai nusilydytų.
Ličio Jonų Akumuliatorių Tipai ir Chemijos
Yra daugybė ličio jonų akumuliatorių cheminių savybių tipų. Populiariausi komerciniai variantai apima:
- Ličio titanatas
- Ličio nikelio kobalto aliuminio oksidas (NCA)
- Ličio nikelio mangano kobalto oksidas (NMC)
- Ličio mangano oksidas (LMO)
- Ličio kobalto oksidas
- Ličio geležies fosfatas (LiFePO4)
Kiekviena cheminė sudėtis turi savų privalumų ir trūkumų, todėl pasirinkimas priklauso nuo energijos poreikių, biudžeto, saugos tolerancijos ir konkretaus naudojimo atvejo. Pavyzdžiui, didelio energijos tankio trišakės baterijos (NCM arba NCA) paprastai naudojamos automobilių rinkoje, o ličio geležies fosfato baterijos (LFP) žymiai pralenkia trišakes baterijas atsižvelgiant į saugumą ir išlaidų pranašumus.
Ličio Geležies Fosfatas (LiFePO4)
LiFePO4 baterijos yra viena iš labiausiai komerciškai prieinamų pasirinkčių. Jos pasižymi grafito anglies elektrodu, kuris atlieka anodo funkciją, ir fosfatu kaip katodu. Šios baterijos turi ilgą ciklų tarnavimo laiką - iki 10 000 ciklų, puikų terminį stabilumą ir gali saugiai atlaikyti trumpus paklausos šuolius. LiFePO4 akumuliatorių šiluminio išsijungimo slenkstis yra iki 510 laipsnių Farenheito - tai aukščiausias rodiklis iš visų komerciškai prieinamų ličio jonų akumuliatorių tipų.
LiFePO4 akumuliatorių privalumai:
- Efektyviai įkraunamos ir iškraunamos.
- Tarnauja ilgiau nei švino rūgšties ir kitos ličio pagrindu pagamintos baterijos.
- Gali giliai iškrauti neprarandant talpos.
- Per visą eksploatavimo laiką leidžia sutaupyti daug lėšų.
Pritaikymas Pramonėje ir Transporto Priemonėse
Ličio jonų akumuliatoriai, ypač LiFePO4 tipas, yra populiarūs pramonėje ir įvairiose transporto priemonėse.
Mažo greičio transporto priemonės (LEV)
Mažo greičio elektrinės transporto priemonės (LEV), tokios kaip golfo vežimėliai, reikalauja ilgaamžių ir mažai priežiūros reikalaujančių akumuliatorių. LiFePO4 baterijos, pavyzdžiui, „ROYPOW“ linijos, atitinka šiuos reikalavimus, veikia įvairiomis oro sąlygomis (nuo -15 °C iki +55 °C, t.y., nuo 4 °F iki 131 °F) ir turi įmontuotą baterijų valdymo sistemą, be to, jas itin lengva įdiegti. Geras akumuliatorius neturėtų reikalauti jokios priežiūros, kad būtų galima maksimaliai mėgautis laisvalaikio veikla.
Pramoninis pritaikymas
LiFePO4 akumuliatoriai yra dažniausiai naudojama cheminė medžiaga pramonėje. Jie pritaikomi tokiuose įrenginiuose kaip siaurų praėjimų šakiniai krautuvai, atsvarai su šakiniais krautuvais, triračiai krautuvai, pėsčiųjų krautuvai ir galiniai bei centriniai raiteliai.
Pagrindinės pritaikymo priežastys:
- Didelė talpa ir ilgaamžiškumas: Ličio jonų akumuliatoriai pasižymi didesniu energijos tankiu ir ilgaamžiškumu, palyginti su švino rūgšties akumuliatoriais. Jie gali sverti trečdaliu mažiau, bet užtikrinti tokią pačią galią. Jų gyvavimo ciklas yra tris kartus ilgesnis, leidžia veikti esant didesniam iškrovimo gyliui iki 80%, nedarant jokio poveikio jų talpai. Tai taupo tūkstančius darbo valandų.
- Greitas įkrovimas: Pramoninių švino rūgšties akumuliatorių įprastas įkrovimo laikas yra apie aštuonias valandas. Su LiFePO4 akumuliatoriais tai nėra iššūkis; pavyzdžiui, „ROYPOW“ pramoninės LiFePO4 ličio baterijos įkraunamos keturis kartus greičiau. Kitas privalumas yra gebėjimas išlikti efektyviems išsikrovimo metu. Efektyvios akumuliatorių valdymo sistemos dėka, „ROYPOW“ pramoninių akumuliatorių linija neturi atminties problemų, dėl kurių kenčia švino rūgšties akumuliatoriai (sulfacija, talpos praradimas, kai laikomi nepilnai įkrauti). Ličio akumuliatorius galima įkrauti trumpais intervalais ir laikyti bet kokia talpa, viršijančia nulį, be jokių problemų.
- Saugumas ir tvarkymas: LiFePO4 akumuliatoriai pasižymi dideliu terminiu stabilumu ir gali veikti iki 50 °C temperatūroje nepatirdami jokios žalos, kai tuo tarpu švino rūgšties akumuliatoriai panašioje temperatūroje prarastų iki 80% savo gyvavimo ciklo. Jų svoris yra mažesnis, todėl nereikia specialios įrangos ir ilgesnio įrengimo laiko. Apskritai, LiFePO4 akumuliatoriai yra saugesni nei švino rūgšties akumuliatoriai ir nereikalauja specialių patalpų pavojingiems garams šalinti, kas padidina pramonės operacijų efektyvumą ir saugumą.
Švino-rūgšties ir ličio jonų krautuvo akumuliatoriai: kuris iš jų tinkamiausias jūsų veiklai?
Jūrų transportas
Valtyse ir laivuose vis dažniau naudojami ličio jonų akumuliatoriai. Itin mažai sveriantys akumuliatoriai sumažina bendrą valties svorį. Pavyzdžiui, naudojant 36V variklį, vien dėl baterijų galima sutaupyti apie 50 kg. Toks svorių skirtumas leidžia plaukti daug lengviau ir greičiau. Be to, ličio akumuliatoriai, skirtingai nei rūgštiniai, gali ilgiau išlaikyti didesnę įėjimo ir išėjimo įtampą. Tai ypač svarbu, jei norima išvengti papildomo svorio valtyje ir palengvinti akumuliatorių pernešimą.
Kodėl Mažėja Ličio Jonų Akumuliatorių Talpa?
Sparčiai tobulėjant mokslui ir technologijoms, ličio jonų baterijos tapo pagrindine energijos kaupimo technologija. Tačiau ličio jonų akumuliatoriaus talpos sumažėjimo problema visada egzistavo, o tai riboja akumuliatoriaus tarnavimo laiką ir našumą. Bet kokia šalutinė reakcija, kuri gamina arba sunaudoja ličio jonus arba elektronus, gali pakeisti akumuliatoriaus talpos balansą, o šis pokytis yra negrįžtamas ir gali kauptis per daugelį ciklų, sukeldamas rimtų problemų, turinčių įtakos akumuliatoriaus veikimui.
Pagrindinės talpos mažėjimo priežastys:
- Ličio nusėdimas: Nusodintas litis padengia neigiamo elektrodo paviršių, blokuodamas ličio jonų įsiskverbimą. Dėl aktyvaus ličio pobūdžio jis lengvai reaguoja su elektrolitu ir jį sunaudoja. Greitas įkrovimas, per didelis srovės tankis ir rimta neigiamo elektrodo poliarizacija dar labiau pagreitina ličio nusėdimą.
- Katodo irimas: Deguonis, susidarantis irstant katodo medžiagai sandariame ličio jonų akumuliatoriuje, gali turėti neįsivaizduojamų pasekmių, nes nevyksta rekombinacinė reakcija, kuri kaupiasi tuo pačiu metu su susidarančiomis degiosiomis dujomis.
- Elektrolito oksidacija ir irimas: Kai įtampa didesnė nei 4.5V, elektrolitas oksiduojasi ir generuoja netirpias medžiagas (pvz., Li2Co3) bei dujas. Šios netirpios medžiagos užblokuoja elektrodo mikroporas, trukdydamos ličio jonų migracijai ir sukeldamos jonų praradimą. Elektrolito ir tirpiklio skilimas tiesiogiai mažina akumuliatoriaus talpą. Jei elektrolite yra priemaišų, tokių kaip vanduo ar vandenilio fluoridas, elektrolitas LiPF6 gali suirti aukštesnėje temperatūroje, o susidarę produktai reaguoja su katodo medžiaga, dėl ko mažėja akumuliatoriaus talpa.
- Savaiminis išsikrovimas: Tai talpos praradimo reiškinys, susidedantis iš grįžtamojo ir negrįžtamojo talpos praradimo. Tirpiklio oksidacijos greitis turi tiesioginės įtakos savaiminio išsikrovimo greičiui. Aktyviosios medžiagos paviršiaus ploto sumažinimas gali sumažinti talpos praradimo greitį. Taip pat diafragmos nuotėkis gali prisidėti prie talpos mažėjimo, nors ši galimybė yra maža.
- Teigiamo elektrodo nestabilumas: Įkrovimo metu akumuliatoriaus teigiamo elektrodo aktyvioji medžiaga yra nestabili ir reaguoja su elektrolitu, turėdama įtakos akumuliatoriaus talpai.
Nors ličio jonų baterijų talpos mažėjimo problema dar nėra iki galo išspręsta, manoma, kad artimiausiu metu, tobulėjant mokslui ir technologijoms bei naujoms akumuliatorių technologijoms, ši problema bus išspręsta.
Akumuliatorių Elementų Pasirinkimas ir Pritaikymas
Projektuojant ličio jonų akumuliatorių paketus labai svarbu pasirinkti tinkamus elementus. Gamintojai siūlo įvairius sprendimus, įskaitant 3.7 V ir 3.2 V ličio polimerų baterijų elementus, 3.7 V ir 3.2 V cilindrinius ličio jonų akumuliatorių elementus bei 3.7 V ir 3.2 V prizminius ličio jonų akumuliatorių elementus. Kurdami ličio polimerų akumuliatorius, inžinierių komandos renkasi elementus iš tokių gamintojų kaip Samsung, ATL, NaLiBatt ir EVE.
18650 ir 21700 yra populiariausi cilindriniai ličio jonų akumuliatorių elementai. Jie platinami iš daugelio profesionalių tiekėjų, tokių kaip Panasonic, Murata (Sony), Samsung, LG ir Molicel. Šie elementai leidžia kurti saugiausias ličio baterijas su daugybe elementų serijų ir lygiagrečių jungčių. Prizminiame Al-shell ličio jonų akumuliatoriaus elemente dažniausiai naudojamos dvi cheminių medžiagų sistemos: 3.2 V prizminis ličio jonų akumuliatoriaus elementas ir 3.7 V prizminis ličio jonų akumuliatoriaus elementas. Tokio tipo didelės talpos elementai yra plačiai paplitę lengvųjų elektromobilių ir energijos kaupimo sistemose.
tags: #licio #jonu #akumuliatorius #dideles #talpos