Klíčovým prvkem mobility elektronických zařízení je dobíjecí baterie (ACB). Rostoucí požadavky na zajištění jejich nejdelší autonomie stimulují neustálý výzkum v této oblasti a vedou ke vzniku nových technologických řešení.
Široce používané nikl-kadmiové (Ni-Cd) a nikl-metal hydridové (Ni-MH) baterie mají alternativu – nejprve lithiové baterie a poté pokročilejší lithium-iontové (Li-ion) baterie.
Obsah
Historie vzhledu
První takové baterie se objevily v 70. letech. minulé století. Okamžitě si získaly poptávku díky pokročilejším vlastnostem. Anoda prvků byla vyrobena z kovového lithia, jehož vlastnosti umožnily zvýšit měrnou energii. Tak se zrodily lithiové baterie.
Nové baterie měly značnou nevýhodu – zvýšené riziko výbuchu a vznícení.Důvod spočíval ve vytvoření lithiového filmu na povrchu elektrody, což vedlo k porušení teplotní stability. V okamžiku maximálního zatížení by baterie mohla explodovat.
Zdokonalení technologie vedlo k opuštění čistého lithia v součástech baterií ve prospěch použití jeho kladně nabitých iontů. Jako dobré řešení se ukázala lithium-iontová baterie.
Tento typ iontové baterie se vyznačuje vyšší bezpečností, která je získána na úkor mírného poklesu hustoty energie, ale neustálý technologický pokrok umožnil snížit ztráty v tomto ukazateli na minimum.
přístroj
Zavedení lithium-iontových baterií do průmyslu spotřební elektroniky zaznamenalo průlom po vývoji baterie s katodou z uhlíkového materiálu (grafit) a anodou z oxidu kobaltu.
V procesu vybíjení baterie jsou ionty lithia odstraňovány z materiálu katody a jsou obsaženy v oxidu kobaltu opačné elektrody, při nabíjení probíhá proces v opačném směru. Lithné ionty tedy vytvářejí elektrický proud, pohybující se od jedné elektrody ke druhé.
Li-Ion baterie se vyrábí ve válcovém a hranolovém provedení. Ve válcovité struktuře jsou dva pásy plochých elektrod, oddělené materiálem impregnovaným elektrolytem, srolovány a umístěny do utěsněného kovového pouzdra. Katodový materiál je nanesen na hliníkovou fólii a anodový materiál je nanesen na měděnou fólii.
Prizmatický design baterie se získá naskládáním obdélníkových desek na sebe. Tento tvar baterie umožňuje zhustit rozložení elektronického zařízení. Vyrábějí se i prizmatické baterie se svinutými elektrodami stočenými do spirály.
Provoz a životnost
Dlouhý, plný a bezpečný provoz lithium-iontových baterií je možný při dodržení provozních pravidel, jejich zanedbání nejen zkrátí životnost výrobku, ale může vést k negativním důsledkům.
Vykořisťování
Klíčový požadavek pro provoz Li-Ion baterií se týká teploty – přehřívání by nemělo být povoleno. Vysoké teploty mohou způsobit maximální škody a příčinou přehřátí může být jak externí zdroj, tak stresující režimy nabíjení a vybíjení baterie.
Například zahřátí na 45 °C vede ke snížení schopnosti udržet baterii nabitou 2krát. Této teploty lze snadno dosáhnout při dlouhodobém vystavení zařízení slunci nebo při provozování energeticky náročných aplikací.
Pokud se výrobek přehřívá, doporučuje se jej umístit na chladné místo, je lepší jej vypnout a vyjmout baterii.
Pro nejlepší výkon baterie v letních vedrech byste měli používat režim úspory energie, který je k dispozici na většině mobilních zařízení.
Nízké teploty mají negativní vliv i na iontové baterie, při teplotách pod -4°C již baterie nedokáže dodat plný výkon.
Chlad ale Li-Ion bateriím neškodí tak jako vysoké teploty a většinou nezpůsobí trvalé poškození. Navzdory skutečnosti, že po zahřátí na pokojovou teplotu jsou pracovní vlastnosti baterie zcela obnoveny, neměli byste zapomenout na pokles kapacity v chladu.
Dalším doporučením pro použití Li-Ion baterií je zabránit jejich hlubokému vybití. Mnoho baterií starší generace mělo paměťový efekt, který vyžadoval jejich vybití na nulu a následné plné nabití.Li-Ion baterie tento účinek nemají a ojedinělé případy úplného vybití nevedou k negativním důsledkům, ale neustálé hluboké vybíjení je škodlivé. Doporučuje se připojit nabíječku, když je úroveň nabití 30%.
Život
Nesprávný provoz Li-Ion baterií může snížit jejich životnost 10-12krát. Tato doba přímo závisí na počtu nabíjecích cyklů. Předpokládá se, že baterie typu Li-Ion vydrží 500 až 1000 cyklů, s přihlédnutím k úplnému vybití. Vyšší procento zbývajícího nabití před dalším nabitím výrazně prodlužuje životnost baterie.
Vzhledem k tomu, že životnost Li-Ion baterií je do značné míry určena provozními podmínkami, není možné u těchto baterií udat přesnou životnost. V průměru lze očekávat, že baterie tohoto typu vydrží při dodržení požadovaných předpisů 7-10 let.
Proces nabíjení
Při nabíjení se vyhněte příliš dlouhému připojení baterie k nabíječce. Běžný provoz lithium-iontové baterie probíhá při napětí nepřesahujícím 3,6 V. Nabíječky při nabíjení dodávají na vstup baterie 4,2 V. Při překročení doby nabíjení mohou v baterii začít nežádoucí elektrochemické reakce, které povedou k přehřátí se všemi z toho vyplývajícími důsledky.
Vývojáři vzali v úvahu takovou vlastnost - bezpečnost nabíjení moderních Li-Ion baterií je řízena speciálním vestavěným zařízením, které zastaví proces nabíjení, když napětí stoupne nad přípustnou úroveň.
U lithiových baterií je správný způsob dvoufázového nabíjení.V první fázi musí být baterie nabita, poskytující konstantní nabíjecí proud, druhá fáze musí být prováděna s konstantním napětím a postupným snižováním nabíjecího proudu. Takový algoritmus je implementován v hardwaru ve většině nabíječek pro domácnost.
Skladování a likvidace
Lithium-iontová baterie může být skladována po dlouhou dobu, samovybíjení je 10-20% za rok. Zároveň však dochází k postupnému snižování vlastností produktu (degradace).
Doporučuje se skladovat takové baterie na místě chráněném před vlhkostí, při teplotě +5 ... + 25 ° С. Silné vibrace, nárazy a blízkost otevřeného ohně jsou nepřijatelné.
Proces recyklace lithium-iontových článků musí být prováděn ve specializovaných podnicích, které mají příslušnou licenci. Přibližně 80 % materiálů z recyklovaných baterií lze znovu použít při výrobě nových baterií.
Bezpečnost
Lithium-iontová baterie, i když je miniaturní, je plná rizika explozivního samovznícení. Tato vlastnost tohoto typu baterií vyžaduje dodržování bezpečnostních opatření ve všech fázích, od vývoje až po výrobu a skladování.
Pro zvýšení bezpečnosti Li-Ion baterií při výrobě je v jejich pouzdře umístěna malá elektronická deska - monitorovací a řídicí systém, který je navržen tak, aby eliminoval přetížení a přehřívání. Elektronický mechanismus zvyšuje odpor obvodu, když teplota stoupne nad předem stanovenou mez. Některé modely baterií mají vestavěný mechanický spínač, který přeruší obvod, když se tlak uvnitř baterie zvýší.
V bateriových pouzdrech je také často instalován pojistný ventil pro snížení tlaku v případě nouze.
Výhody a nevýhody lithiových baterií
Výhody tohoto typu baterie jsou:
- vysoká hustota energie;
- žádný paměťový efekt;
- dlouhá životnost;
- nízká míra samovybíjení;
- nevyžaduje údržbu;
- zajišťující konstantní provozní parametry v relativně širokém teplotním rozsahu.
Má lithiovou baterii a její nevýhody jsou:
- nebezpečí samovznícení;
- vyšší náklady než jeho předchůdci;
- potřeba vestavěného ovladače;
- nežádoucí hluboký výboj.
Technologie výroby Li-Ion baterií se neustále zdokonalují, mnohé nedostatky se postupně stávají minulostí.
Oblast použití
Vysoká energetická hustota lithium-iontových baterií určuje jejich hlavní oblast použití - mobilní elektronická zařízení: notebooky, tablety, smartphony, videokamery, fotoaparáty, navigační systémy, různé vestavěné senzory a řada dalších produktů.
Existence válcového tvaru těchto baterií umožňuje jejich použití ve svítilnách, pevných telefonech a dalších zařízeních, která dříve spotřebovávala energii z jednorázových baterií.
Lithium-iontový princip stavby baterie má několik variant, typy se liší typem použitých materiálů (lithium-kobalt, lithium-mangan, lithium-nikl-mangan-kobalt-oxid atd.). Každý z nich má svůj vlastní rozsah.
Kromě mobilní elektroniky se skupina lithium-iontových baterií používá v následujících oblastech:
- ruční elektrické nářadí;
- přenosné lékařské vybavení;
- nepřerušitelné zdroje energie;
- bezpečnostní systémy;
- moduly nouzového osvětlení;
- solární elektrárny;
- elektrická vozidla a elektrická jízdní kola.
Vzhledem k neustálému zlepšování lithium-iontové technologie a úspěchu při vytváření vysokokapacitních baterií s malými rozměry je možné předvídat rozšíření aplikací pro takové baterie.
Označení
Parametry lithium-iontových baterií jsou vytištěny na těle výrobku, přičemž použité kódování se může u různých velikostí výrazně lišit. Jednotný standard označování baterií pro všechny výrobce ještě nebyl vyvinut, ale i tak je možné zjistit nejdůležitější parametry vlastními silami.
Písmena v řádku označení označují typ článku a použité materiály: první písmeno I znamená lithium-iontovou technologii, další písmeno (C, M, F nebo N) udává chemické složení, třetí písmeno R znamená, že článek je dobíjecí (Rechargeable).
Čísla v názvu velikosti udávají velikost baterie v milimetrech: první dvě čísla jsou průměr a další dvě jsou délka. Například 18650 označuje průměr 18 mm a délku 65 mm, 0 označuje válcový tvarový faktor.
Poslední písmena a čísla v sérii představují označení kontejnerů specifické pro každého výrobce. Neexistují ani jednotné normy pro uvádění data výroby.
