- Zgodovina litij-ionskih baterij
- Li-ionska baterija Kemija in delovanje
- Uvod v litij-ionske baterije
- Najlažji način uporabe celice 18650
- Li-ionska baterija (zaporedne in vzporedne celice)
Če se Tony Stark ne vmeša in ne izumi reaktorja Arc ali ne izvede raziskav na področju solarnih satelitov (SPS) za brezžični prenos energije, moramo biti ljudje odvisni od baterij za napajanje svojih prenosnih ali oddaljenih elektronskih naprav. Najpogostejša vrsta polnilnih baterij, ki jo najdete v potrošniški elektroniki, je litij-ionska ali litijeva polimerna. V tem članku bi nas zanimale Li-ion baterije, saj so navadno bolj uporabne kot vse druge vrste. Naj bo to majhna napajalna enota ali prenosni računalnik ali kaj takega, kot je Teslin novi model 3, vse poganja litij-ionska baterija.
Zakaj so te baterije posebne? Kaj morate vedeti o tem, preden ga uporabite v svojih projektih? Kako boste varno polnili ali praznili te baterije? Če vas zanimajo odgovori na vsa ta vprašanja, ste pristali na pravem članku, samo sedite in preberite, medtem ko bom poskušal to ohraniti čim bolj zanimivo.
Zgodovina litij-ionskih baterij
Zamisel o litij-ionski bateriji je prvi skoval GN Lewis leta 1912, vendar je postala izvedljiva šele v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja in prva litijeva baterija, ki se ne polni, je bila dana na komercialne trge. Kasneje v osemdesetih letih so inženirji poskušali izdelati prvo polnilno baterijo z uporabo litija kot anodnega materiala in so bili delno uspešni. Niso opazili, da so te vrste litijevih baterij med postopkom polnjenja nestabilne in bi v notranjosti akumulatorja nastala kratka povezava, ki bi povečala temperaturo in povzročila toplotni utek.
Leta 1991 je ena taka litijeva baterija, ki se uporablja v mobilnih napravah, eksplodirala nad moškim na Japonskem. Šele po tem incidentu so ugotovili, da je treba z Li-ion baterijami ravnati zelo previdno. Ogromno tovrstnih baterij, ki so bile na trgu, so proizvajalci nato opozorili na varnostna vprašanja. Pozneje po številnih raziskavah je Sony predstavil napredne Li-ion baterije z novo kemijo, ki se uporablja do danes. Tu zaključimo zgodovino in si oglejmo kemijo litij-ionske baterije.
Li-ionska baterija Kemija in delovanje
Kot že ime pove, litij-ionske baterije za opravljanje dela uporabljajo litijeve ione. Litij je zelo lahka kovina z visoko gostoto energije, zaradi česar je baterija lahka in zagotavlja majhen tok z majhnim faktorjem oblike. Gostota energije je količina energije, ki jo lahko shranimo v enoti prostornine baterije, večja kot je gostota energije, manjša bo baterija. Kljub izjemnim lastnostim kovine litija je ni mogoče uporabiti kot elektrodo neposredno v baterijah, saj je litij zaradi svoje kovinske narave zelo nestabilen. Zato uporabljamo litij-ione, ki imajo bolj ali manj enako lastnost kovine litija, vendar je nekovinski in je razmeroma varnejši za uporabo.
Običajno je anoda litijeve baterije izdelana iz ogljika, katoda baterije pa iz kobaltovega oksida ali kakega drugega kovinskega oksida. Elektrolit, ki se uporablja za povezovanje teh dveh elektrod, bo preprosta solna raztopina, ki vsebuje litijeve ione. Pri praznjenju se pozitivno nabiti litijevi ioni pomaknejo proti katodi in jo bombardirajo, dokler ne postane pozitivno nabita. Ker je katoda pozitivno nabita, privlači negativno nabite elektrone k sebi. Ti elektroni tečejo skozi naše vezje in tako napajajo vezje.
Med polnjenjem se zgodi ravno nasprotno. Elektroni iz nabojev se pretakajo v baterijo in se tako litijevi ioni premikajo proti anodi, zaradi česar katoda izgubi pozitivni naboj.
Uvod v litij-ionske baterije
Dovolj teorije o litij-ionskih baterijah, zdaj pa praktično spoznajmo te celice, da bomo lahko prepričani, da jih uporabljajo pri naših projektih. Najpogosteje uporabljena litij-ionska baterija je celice 18650, zato bomo o tem govorili v tem članku. Tipična celica 18650 je prikazana na spodnji sliki
Kot vse baterije ima tudi Li-ionska baterija napetost in zmogljivost. Nazivna napetost za vse litijeve celice bo 3,6 V, zato potrebujete višjo specifikacijo napetosti, da jo morate združiti dve ali več celic zaporedoma. Privzeto bodo imele vse litij-ionske celice nazivno napetost samo ~ 3,6 V. Ta napetost se lahko spusti do 3,2 V, ko je popolnoma izpraznjena, in do 4,2 V, ko je popolnoma napolnjena. Vedno ne pozabite, da praznjenje akumulatorja pod 3,2 V ali polnjenje nad 4,2 V trajno poškoduje baterijo in lahko postane tudi recept za ognjemete. Omogočimo razčlenitev terminologij, vključenih v baterijo 18650, da bomo lahko bolje razumeli. Upoštevajte, da ta pojasnila veljajo samo za eno celico 18650, kasneje bomo dobili več v Li-ion baterijskih sklopih, kjer je več celic zaporedno ali vzporedno priključenih, da dobimo veliko višjo napetost in tok.
Nazivna napetost: Nazivna napetost je dejanska napetost celice 18650. Privzeto znaša 3,6 V in bo ostal enak za vse 18650 celic kljub izdelavi.
Napetost polnega praznjenja: Celica 18650 se nikoli ne sme izprazniti pod 3,2 V, v nasprotnem primeru se spremeni notranji upor akumulatorja, ki trajno poškoduje baterijo in lahko povzroči eksplozijo
Napetost polnega polnjenja: Polnilna napetost za litij-ionsko celico je 4,2V. Paziti je treba, da se celična napetost v danem trenutku ne poveča na 4,2 V.
Ocena mAh: Kapaciteta celice je običajno podana v smislu ocene mAh (Milli Ampere uro). Ta vrednost se razlikuje glede na vrsto celice, ki ste jo kupili. Na primer, predpostavimo, da je naša celica tukaj 2000mAh, kar je nič drugega kot 2Ah (amper / uro). To pomeni, da če iz te baterije črpamo 2A, bo trajalo 1 uro, podobno pa, če iz te baterije črpamo 1A, bo trajalo 2 uri. Torej, če želite vedeti, kako dolgo bo baterija napajala vaš projekt (čas delovanja), ga morate izračunati z oceno mAh.
Čas delovanja (v urah) = Trenutna poraba / ocena mAh
Kjer mora biti porabljeni tok znotraj meje ocene C.
Ocena C: Če ste se kdaj vprašali, kolikšen je največji tok toka, ki ga lahko črpate iz baterije, potem lahko svoj odgovor dobite iz ocene C baterije. Ocena baterije se znova spremeni za vsako baterijo, predpostavimo, da je baterija, ki jo imamo, baterija 2Ah z oceno 3C. Vrednost 3C pomeni, da lahko baterija oddaja 3-kratno nazivno vrednost Ah kot največji tok. V tem primeru lahko napaja do 6A (3 * 2 = 6) kot največji tok. Običajno imajo 18650 celic samo oceno 1C.
Največji tok akumulatorja = ocena C * ocena Ah
Polnilni tok: Druga pomembna specifikacija baterije, ki jo je treba opaziti, je polnilni tok. Samo zato, ker baterija lahko napaja največ 6A, še ne pomeni, da lahko polni 6A. Največji polnilni tok baterije bo naveden v obrazcu baterije, saj se razlikuje glede na baterijo. Običajno bo 0,5 C, kar pomeni polovico vrednosti ocene Ah. Za baterijo z nazivno močjo 2Ah bo polnilni tok 1A (0,5 * 2 = 1).
Čas polnjenja: Najmanjši čas polnjenja, potreben za polnjenje ene celice 18650, lahko izračunamo z uporabo vrednosti polnilnega toka in Ah-vrednosti baterije. Na primer, polnjenje baterije z 2Ah s polnilnim tokom 1A bo trajalo približno 2 uri, ob predpostavki, da polnilnik za polnjenje celice uporablja samo CC metodo.
Notranji upor (IR): Zdravje in zmogljivost baterije lahko napovemo z merjenjem notranjega upora baterije. To ni nič drugega kot vrednost upora med anodnim (pozitivnim) in katodnim (negativnim) terminalom akumulatorja. Tipična vrednost IR celice bo navedena v obrazcu. Bolj ko odstopa od dejanske vrednosti, manj učinkovita bo baterija. Vrednost IR za celico 18650 bo v območju mili ohmov in obstajajo posebni instrumenti za merjenje vrednosti IR.
Metode polnjenja: Obstaja veliko metod, s katerimi se polni li-ionska celica. Toda najpogosteje uporabljena je 3-stopenjska topologija. Trije koraki so CC, CV in polnjenje. V načinu CC (konstantni tok) se celica s spreminjanjem vhodne napetosti polni s konstantnim polnilnim tokom. Ta način bo aktiven, dokler se baterija ne napolni do določene ravni, nato CV (konstantna napetost)način se začne, kjer se polnilna napetost običajno vzdržuje na 4,2 V. Končni način je impulzno polnjenje ali kapljično polnjenje, pri katerem se majhni impulzi toka prenesejo na baterijo, da se izboljša življenjski cikel akumulatorja. Obstajajo tudi veliko bolj zapleteni polnilniki, ki vključujejo 7-stopenjsko polnjenje. V to temo se ne bomo spuščali globoko, saj je ta članek daleč zunaj področja uporabe. Če pa vas zanima omemba v oddelku za komentarje in bom napisal ločen članek o polnjenju Li-ionskih celic.
Stanje napolnjenosti (SOC)%: Stanje napolnjenosti ni nič drugega kot zmogljivost baterije, podobno kot je prikazana v našem mobilnem telefonu. Kapacitete baterije ni mogoče natančno izračunati z njenim napetostnim ventilom, običajno se izračuna s pomočjo trenutne integracije, da se določi sprememba kapacitete baterije skozi čas.
Globina praznjenja (DOD)%: DOD določa, kako daleč se baterija lahko izprazni. Nobena baterija se ne bo 100-krat izpraznila, saj vemo, da jo bo poškodovala. Običajno je za vse baterije nastavljena 80-odstotna globina praznjenja.
Dimenzija celice: Druga edinstvena in zanimiva lastnost celice 18650 je njena dimenzija. Vsaka celica bo imela premer 18 mm in višino 650 mm, zaradi česar bo ta celica dobila ime 18650.
Če želite več terminoloških definicij, poglejte v dokumentacijo terminologij MIT Battery, kjer boste zagotovo našli več tehničnih parametrov, povezanih z baterijo.
Najlažji način uporabe celice 18650
Če ste popoln novinec in šele začnete uporabljati 18650 celic za napajanje svojega projekta, potem bi najlažje uporabili že pripravljene module, ki lahko varno napolnijo in izpraznijo 18650 celic. Samo tak modul je modul TP4056, ki lahko obdeluje eno samo celico 18650.
Če za vhodno napetost potrebujete več kot 3,6 V, boste morda želeli združiti dve 18650 celic zaporedoma, da dobite napetost 7,4 V. V takem primeru uporabite modul, kot je 2S 3A Li-ion baterijski modul, koristen pri varnem polnjenju in praznjenju baterij.
Za kombiniranje dveh ali več celic 18650 ne moremo uporabiti običajne tehnike spajkanja za povezavo obeh, namesto tega se uporablja postopek, imenovan točkovno varjenje. Tudi pri kombiniranju 18650 celic v zaporedju ali vzporedno je treba paziti več, kar je obravnavano v naslednjem odstavku.
Li-ionska baterija (zaporedne in vzporedne celice)
Za napajanje majhne prenosne elektronike ali majhnih naprav bi bila ena sama celica 18650 ali največ nekaj zaporedno. Pri tej vrsti uporabe je zapletenost manjša, saj je število vključenih baterij manjše. Toda za večje aplikacije, kot so avtomobili z električnim ciklom / mopedom ali Teslo, bomo morali veliko teh celic povezati zaporedno in vzporedno, da dosežemo želeno izhodno napetost in zmogljivost. Na primer, avtomobil Tesla vsebuje več kot 6800 litijevih celic z oceno 3,7 V in 3,1 Ah. Spodnja slika prikazuje, kako je razporejen znotraj podvozja avtomobila.
S tako velikim številom celic za spremljanje potrebujemo namensko vezje, ki lahko te celice samo varno polni, nadzira in prazni. Ta namenski sistem se imenuje sistem za nadzor akumulatorja (BMS). Naloga BMS je spremljanje napetosti posamezne celice vsake litij-ionske celice in preverjanje njene temperature. Poleg tega nekateri BMS spremljajo tudi polnilni in praznilni tok sistema.
Ko kombiniramo več kot dve celici v eno embalažo, je treba paziti, da imajo enako kemijo, napetost, nazivno moč in notranjo odpornost. Med polnjenjem celic BMS poskrbi, da so enakomerno napolnjene in enakomerno izpraznjene, tako da v vsakem trenutku vse baterije vzdržujejo enako napetost, to se imenuje uravnoteženje celic. Poleg tega mora oblikovalec skrbeti tudi za hlajenje teh baterij med polnjenjem in praznjenjem, saj se med visokimi temperaturami ne odzivajo dobro.
Upam, da vam je ta članek zagotovil dovolj podrobnosti, da boste nekoliko samozavestnejši z Li-ion celicami. Če imate kakršne koli posebne dvome, vas prosimo, da pustite to v oddelku za komentarje in se bom potrudil, da vam odgovorim. Do takrat veselo mahanje.