Batterier är litiumbatterier. Li-ion och Li-polymer batterier i våra konstruktioner

Framstegen går framåt och litiumbatterier ersätter i allt högre grad de traditionellt använda NiCd- (nickel-kadmium) och NiMh-batterierna (nickel-metallhydrid).
Med en jämförbar vikt av ett element har litium en högre kapacitet, dessutom är elementspänningen tre gånger högre - 3,6 V per element, istället för 1,2 V.
Kostnaden för litiumbatterier har börjat närma sig den för konventionella alkaliska batterier, deras vikt och storlek är mycket mindre, och dessutom kan och bör de laddas. Tillverkaren säger att de tål 300-600 cykler.
Det finns olika storlekar och att välja rätt är inte svårt.
Självurladdningen är så låg att de sitter i åratal och förblir laddade, d.v.s. Enheten förblir i drift vid behov.

"C" står för Capacity

En beteckning som "xC" finns ofta. Detta är helt enkelt en bekväm beteckning på batteriets laddnings- eller urladdningsström med andelar av dess kapacitet. Kommer från det engelska ordet "Capacity" (kapacitet, kapacitet).
När de talar om att ladda med en ström på 2C, eller 0,1C, menar de oftast att strömmen ska vara (2 × batterikapacitet)/h respektive (0,1 × batterikapacitet)/h.
Till exempel måste ett batteri med en kapacitet på 720 mAh, för vilket laddningsströmmen är 0,5 C, laddas med en ström på 0,5 × 720 mAh / h = 360 mA, detta gäller även urladdning.

Du kan göra en enkel eller inte särskilt enkel laddare själv, beroende på din erfarenhet och kapacitet.

Kretsschema för en enkel LM317-laddare

Ris. 5.

Applikationskretsen ger ganska exakt spänningsstabilisering, som ställs in av potentiometer R2.
Strömstabilisering är inte lika kritisk som spänningsstabilisering, så det räcker att stabilisera strömmen med ett shuntmotstånd Rx och en NPN-transistor (VT1).

Den erforderliga laddningsströmmen för ett visst litiumjon (Li-Ion) och litiumpolymer (Li-Pol) batteri väljs genom att ändra Rx-resistansen.
Resistansen Rx motsvarar ungefär följande förhållande: 0,95/Imax.
Värdet på motståndet Rx som anges i diagrammet motsvarar en ström på 200 mA, detta är ett ungefärligt värde, det beror också på transistorn.

Det är nödvändigt att tillhandahålla en radiator beroende på laddningsström och inspänning.
Ingångsspänningen måste vara minst 3 volt högre än batterispänningen för normal drift av stabilisatorn, som för en burk är 7-9 V.

Kretsschema för en enkel laddare på LTC4054

Ris. 6.

Du kan ta bort laddningskontrollen LTC4054 från en gammal mobiltelefon, till exempel Samsung (C100, C110, X100, E700, E800, E820, P100, P510).

Ris. 7. Detta lilla 5-benta chip är märkt "LTH7" eller "LTADY"

Jag kommer inte att gå in på de minsta detaljerna om att arbeta med mikrokretsen allt finns i databladet. Jag kommer bara att beskriva de mest nödvändiga funktionerna.
Laddström upp till 800 mA.
Den optimala matningsspänningen är från 4,3 till 6 volt.
Laddningsindikering.
Kortslutningsskydd för utgång.
Överhettningsskydd (reducering av laddningsström vid temperaturer över 120°).
Laddar inte batteriet när dess spänning är under 2,9 V.

Laddningsströmmen ställs in av ett motstånd mellan mikrokretsens femte terminal och jord enligt formeln

I=1000/R,
där I är laddningsströmmen i ampere, R är resistansmotståndet i ohm.

Indikator för lågt litiumbatteri

Här är en enkel krets som tänder en lysdiod när batteriet är lågt och dess restspänning är nära kritisk.

Ris. 8.

Alla lågeffekttransistorer. LED-tändningsspänningen väljs av en delare från motstånden R2 och R3. Det är bättre att ansluta kretsen efter skyddsenheten så att lysdioden inte dränerar batteriet helt.

Nyansen av hållbarhet

Tillverkaren hävdar vanligtvis 300 cykler, men om du laddar litium bara 0,1 Volt mindre, till 4,10 V, ökar antalet cykler till 600 eller ännu mer.

Drift och försiktighetsåtgärder

Det är säkert att säga att litiumpolymerbatterier är de mest "känsliga" batterierna som finns, det vill säga de kräver obligatorisk efterlevnad av flera enkla men obligatoriska regler, underlåtenhet att följa vilket kan orsaka problem.
1. Laddning till en spänning som överstiger 4,20 volt per burk är inte tillåten.
2. Kortslut inte batteriet.
3. Urladdning med strömmar som överstiger belastningskapaciteten eller värmer batteriet över 60°C är inte tillåtet. 4. En urladdning under en spänning på 3,00 volt per burk är skadlig.
5. Att värma batteriet över 60°C är skadligt. 6. Trycksänkning av batteriet är skadligt.
7. Lagring i urladdat tillstånd är skadligt.

Underlåtenhet att följa de tre första punkterna leder till en brand, resten - till fullständig eller delvis förlust av kapacitet.

Av erfarenheten från många års användning kan jag säga att batteriernas kapacitet förändras lite, men det interna motståndet ökar och batteriet börjar arbeta mindre tid vid hög strömförbrukning - det verkar som att kapaciteten har sjunkit.
Av den anledningen brukar jag installera en större behållare, allteftersom enhetens dimensioner tillåter, och även gamla burkar som är tio år gamla fungerar ganska bra.

För inte särskilt höga strömmar är gamla mobiltelefonbatterier lämpliga.

Du kan få ut många perfekt fungerande 18650-batterier ur ett gammalt laptopbatteri.

Var använder jag litiumbatterier?

Jag konverterade min skruvmejsel och elektriska skruvmejsel till litium för länge sedan. Jag använder inte dessa verktyg regelbundet. Nu, även efter ett års icke-användning, fungerar de utan laddning!

Jag satte små batterier i barnleksaker, klockor etc., där 2-3 "knapp"-celler installerades från fabriken. Där exakt 3V behövs lägger jag till en diod i serie och det fungerar precis.

Jag satte den i LED-fickor.

Istället för den dyra och lågkapaciteten Krona 9V installerade jag 2 burkar i testaren och glömde alla problem och extra kostnader.

I allmänhet lägger jag den var jag kan, istället för batterier.

Var köper jag litium och relaterade verktyg

Till salu. På samma länk hittar du laddningsmoduler och andra användbara saker för gör-det-själv.

Kineserna brukar ljuga om kapaciteten och den är mindre än vad som står.

Ärlig Sanyo 18650

För närvarande används liionbatterier och Li-pol (litiumpolymer) batterier i stor utsträckning.

Skillnaden mellan dem är elektrolyten. I det första alternativet används helium som det, i det andra - en polymer mättad med en lösning som innehåller litium. Idag, tack vare populariteten för bilar med elmotorer, finns det en brådskande fråga om att hitta den idealiska typen av li-jonbatteri som är optimal för sådana fordon.

Den består, liksom andra batterier, av en anod (poröst kol) och en katod (litium), en separator som separerar dem och en ledare - elektrolyt. Urladdningsprocessen åtföljs av övergången av "anod" joner till katoden genom en separator och elektrolyt. Deras riktning är omvänd under laddning (bild nedan).

Joner cirkulerar under processen för urladdning och laddning av cellen mellan motsatt laddade elektroder.

Jonbatterier har en katod gjord av olika metaller, vilket är deras största skillnad. Tillverkare använder olika material för elektroder för att förbättra batteriernas egenskaper.

Men det händer att en förbättring av vissa egenskaper leder till en kraftig försämring av andra. Till exempel, genom att optimera den kapacitet som behövs för att öka restid, kan du öka kraften, säkerheten och minska den negativa påverkan på miljön. Samtidigt kan du minska belastningsströmmen, öka kostnaden eller storleken på batteriet.

Du kan bekanta dig med huvudparametrarna för olika typer av litiumbatterier (litium-mangan, litium-kobolt, litium-fosfat och nickel-mangan-kobolt) i tabellen:

Regler för eltransportanvändare

Kapaciteten hos sådana batterier minskar praktiskt taget inte under långtidslagring. Li-ion-batterier laddas ur med endast 23 % om de förvaras i en temperatur på 60 grader i 15 år. Det är tack vare dessa egenskaper som de används i stor utsträckning inom elektriska transporttekniker.

Litiumjonbatterier som har ett fullfjädrat styrsystem inbyggt i kroppen är lämpliga för elektrisk transport.

Av denna anledning, under drift, glömmer användarna de grundläggande reglerna som kan förlänga deras livslängd:

• Batteriet måste laddas helt omedelbart efter att du köpt det i butiken, eftersom elektroderna laddas med 50 % under tillverkningsprocessen. Därför kommer den tillgängliga kapaciteten att minska, d.v.s. drifttid om det inte finns någon initial laddning;
• batteriet bör inte tillåtas att laddas ur helt för att bevara dess resurs;
• Batteriet måste laddas efter varje resa, även om det fortfarande finns en del laddning kvar;
• Värm inte batterier, eftersom höga temperaturer bidrar till åldringsprocessen. För att utnyttja resursen maximalt måste driften utföras vid optimal temperatur, som är 20-25 grader. Därför kan batteriet inte förvaras nära en värmekälla;
• Vid kallt väder rekommenderas att slå in batteriet i en plastpåse med vakuumförsegling för att förvara det i 3-4 grader, d.v.s. i ett ouppvärmt rum. Debiteringen måste vara minst 50 % av den fulla laddningen;
• efter att batteriet har använts vid minusgrader kan det inte laddas utan att hålla det i rumstemperatur under en tid, dvs det behöver värmas upp;
• Batteriet måste laddas med laddaren som medföljer i satsen.

Det finns flera undertyper av PU av dessa batterier - litium - LiFePO4 (järn - fosfat), som använder en järnfosfatkatod. Deras egenskaper gör att vi kan prata om batterier som höjdpunkten av teknik som används för tillverkning av batterier.

Deras främsta fördelar är:

• antalet laddnings-urladdningscykler, som når 5000 tills kapaciteten minskar med 20 %;
• lång livslängd;
• ingen "minneseffekt";
• brett temperaturområde med oförändrade prestandaegenskaper (300-700 grader Celsius);
• kemisk och termisk stabilitet, vilket ökar säkerheten.

Mest använda batterier

Bland de många är de vanligaste li-jonbatterier i storlek 18650, tillverkade av fem företag: LG, Sony, Panasonic, Samsung, Sanyo, vars fabriker finns i Japan, Kina, Malaysia och Sydkorea. Det var planerat att 18650 li-jonbatterier skulle användas i bärbara datorer. Men tack vare deras framgångsrika format används de i radiostyrda modeller, elbilar, ficklampor etc.

Som alla kvalitetsprodukter har sådana batterier många förfalskningar, därför, för att förlänga enhetens livslängd, behöver du bara köpa batterier från välkända märken.

Skyddade och oskyddade litiumjonbatterier

Det är också viktigt för litiumbatterier om de är skyddade eller inte. Driftsområdet för den förstnämnda är 4,2-2,5V (används i enheter som är utformade för att fungera med litiumjonkällor): LED-fickor, hushållsapparater med låg effekt, etc.

Elverktyg, cyklar med elmotorer, bärbara datorer, video- och fotoutrustning använder oskyddade batterier som styrs av en styrenhet.

Vad du behöver veta om litiumjonbatterier?

Först och främst de begränsningar som måste observeras under drift:

• laddningsspänning (max) får inte vara högre än 4,35V;
• dess minimivärde kan inte falla under 2,3 V;
• Urladdningsströmmen bör inte överstiga mer än två gånger kapacitansvärdet. Om värdet på den senare är 2200 mAh är det maximala strömvärdet 4400 mA.

Funktioner som utförs av styrenheten

Varför behöver du en li-ion batteriladdningskontroll? Den utför flera funktioner:

• ger en ström som kompenserar för självurladdning. Dess värde är mindre än den maximala laddningsströmmen, men större än självurladdningsströmmen;
• implementerar en effektiv laddnings-/urladdningscykelalgoritm för ett specifikt batteri;
• kompenserar för skillnaden i energiflöden samtidigt som den laddar och ger energi till konsumenten. Till exempel när du laddar och driver en bärbar dator;
• Mäter temperaturen vid överhettning eller hypotermi, vilket förhindrar skador på batteriet.

En li-ion batteriladdningsregulator tillverkas antingen i form av en mikrokrets inbyggd i batteriet eller som en separat enhet.

För att ladda batterierna är det bättre att använda standardladdaren för 18650 li-ion-batterier, som medföljer i satsen. En laddare för 18650 litiumbatterier har vanligtvis en laddningsnivåindikator. Oftare är det en lysdiod som visar när laddningen pågår och när den är klar.

På mer avancerade enheter kan du spåra på displayen återstående tid tills laddningen är slut och aktuell spänning. För ett 18650 batteri med en kapacitet på 2200mA är laddningstiden 2 timmar.

Men det är viktigt att veta vilken ström man ska ladda ett 18650 li-jonbatteri. Det bör vara hälften av den nominella kapaciteten, dvs om den är 2000 mAh, är den optimala strömmen 1A. Genom att ladda batteriet med hög ström sker dess nedbrytning snabbt. Om du använder låg ström tar det längre tid.

Video: Hur man laddar en Li-ion batteriladdare med dina egna händer

Diagram över en enhet för laddning av batterier

Det ser ut så här:

Kretsen kännetecknas av sin tillförlitlighet och repeterbarhet, och de inkluderade delarna är billiga och lättillgängliga. För att öka batteriets livslängd krävs korrekt laddning av li-ion-batterier: mot slutet av laddningen bör spänningen minska.

Efter dess färdigställande, d.v.s. När strömmen når noll bör laddningen av litiumjonbatteriet sluta. Kretsen som anges ovan uppfyller dessa krav: ett urladdat batteri anslutet till laddaren (VD3 lyser) använder en ström på 300 mA.

Den pågående processen indikeras av den brinnande lysdioden VD1. Strömmen som gradvis minskar till 30 mA indikerar att batteriet laddas. Slutet på processen signaleras av den tända LED VD2.

Kretsen använder en operationsförstärkare LM358N (du kan ersätta den med en analog KR1040UD1 eller KR574UD2, som skiljer sig i stiftens placering), samt en transistor VT1 S8550 9 lysdioder av gula, röda och gröna färger (1,5V).

Är det möjligt att återuppliva ett batteri?

Efter ett par års aktiv användning tappar batterier katastrofalt kapacitet, vilket skapar problem när du använder din favoritenhet. Är det möjligt och hur återställer man ett li-jonbatteri medan användaren letar efter en ersättare?

Att återställa ett li-jonbatteri är möjligt tillfälligt på flera sätt.

Om batteriet är svullet, d.v.s. håller inte längre en laddning, vilket betyder att gaser har samlats inuti.

Fortsätt sedan enligt följande:

• batterihöljet kopplas försiktigt bort från sensorn;
• separera den elektroniska sensorn;
• de hittar en keps med kontrollelektronik under och sticker försiktigt igenom den med en nål;
• hitta sedan ett tungt platt föremål, större i yta än batteriets yta, som kommer att användas som en press (använd inte ett skruvstycke eller liknande enheter);
• Placera batteriet på ett horisontellt plan och tryck ner med en press, kom ihåg att batteriet kan skadas genom att applicera överdriven kraft. Om det inte räcker kan det hända att resultatet inte uppnås. Detta är det mest avgörande ögonblicket;
• Allt som återstår är att släppa epoxiharts i hålet och löda sensorn.

Det finns andra sätt som du kan läsa om på Internet.

Du kan välja en laddare på hemsidan http://18650.in.ua/chargers/.

Video: Li-ion-batterier, tips för att använda li-ion-batterier

Laddnings- och urladdningsprocesserna för alla batterier sker i form av en kemisk reaktion. Att ladda litiumjonbatterier är dock ett undantag från regeln. Vetenskaplig forskning visar energin hos sådana batterier som den kaotiska rörelsen av joner. Uttalanden från förståsigpåare förtjänar uppmärksamhet. Om vetenskapen är att ladda litiumjonbatterier korrekt, bör dessa enheter hålla för evigt.

Forskare ser bevis på förlust av användbar batterikapacitet, bekräftad av praktiken, i joner blockerade av så kallade fällor.

Därför, som är fallet med andra liknande system, är litiumjonanordningar inte immuna mot defekter under deras användning i praktiken.

Laddare för Li-ion-konstruktioner har vissa likheter med enheter designade för bly-syra-system.

Men de största skillnaderna mellan sådana laddare ses i tillförseln av ökade spänningar till cellerna. Dessutom finns det snävare strömtoleranser, plus eliminering av intermittent eller flytande laddning när batteriet är fulladdat.

En relativt kraftfull kraftenhet som kan användas som en energilagringsenhet för alternativa energikällor

Om det finns en viss flexibilitet när det gäller anslutning/bortkoppling av spänning, avvisar tillverkare av litiumjonsystem kategoriskt detta tillvägagångssätt.

Li-ion-batterier och driftreglerna för dessa enheter tillåter inte möjligheten till obegränsad överladdning.

Därför finns det ingen så kallad "mirakel"-laddare för litiumjonbatterier som kan förlänga deras livslängd under lång tid.

Det är omöjligt att få ytterligare Li-ion-kapacitet genom pulsladdning eller andra kända knep. Litiumjonenergi är ett slags "rent" system som accepterar en strikt begränsad mängd energi.

Laddar koboltblandade batterier

Klassiska litiumjonbatterier är utrustade med katoder vars struktur består av material:

• kobolt,
• nickel,
• mangan,
• aluminium.

Alla laddas vanligtvis med en spänning på upp till 4,20V/I. Den tillåtna avvikelsen är inte mer än +/- 50 mV/I. Men det finns också vissa typer av nickelbaserade litiumjonbatterier som tillåter en laddningsspänning på upp till 4,10V/I.

Koboltblandade litiumjonbatterier är utrustade med interna skyddskretsar, men detta förhindrar sällan batteriet från att explodera när det överladdas.

Det finns också utvecklingar av litiumjonbatterier, där andelen litium har ökat. För dem kan laddningsspänningen nå 4,30V/I och högre.

Jo, att öka spänningen ökar kapaciteten, men om spänningen går utöver specifikationen kan det leda till förstörelse av batteristrukturen.

Därför är litiumjonbatterier för det mesta utrustade med skyddskretsar, vars syfte är att upprätthålla den etablerade standarden.

Hel eller delvis laddning

Men praxis visar: de flesta kraftfulla litiumjonbatterier kan acceptera en högre spänningsnivå, förutsatt att den levereras under en kort tid.

Med det här alternativet är laddningseffektiviteten cirka 99 %, och cellen förblir sval under hela laddningstiden. Det är sant att vissa litiumjonbatterier fortfarande värms upp med 4-5C när de når full laddning.

Detta kan bero på skydd eller på högt inre motstånd. För sådana batterier bör laddningen stoppas när temperaturen stiger över 10ºC vid en måttlig laddningshastighet.

Litiumjonbatterier i laddaren laddas. Indikatorn visar att batterierna är fulladdade. Ytterligare process hotar att skada batterierna

Full laddning av koboltblandade system sker vid en tröskelspänning. I detta fall sjunker strömmen med upp till 3-5% av det nominella värdet.

Batteriet kommer att visa full laddning även när det når en viss kapacitetsnivå som förblir oförändrad under lång tid. Orsaken till detta kan vara ökad självurladdning av batteriet.

Ökar laddningsström och laddningsmättnad

Det bör noteras att en ökning av laddningsströmmen inte påskyndar uppnåendet av ett fullt laddningstillstånd. Litium når toppspänning snabbare, men laddning tills kapaciteten är helt mättad tar längre tid. Att ladda batteriet med hög ström ökar dock snabbt batterikapaciteten till cirka 70 %.

Litiumjonbatterier kräver inte full laddning, vilket är fallet med blysyraenheter. Dessutom är detta laddningsalternativ inte önskvärt för Li-ion. Faktum är att det är bättre att inte ladda batteriet helt, eftersom högspänning "stressar" batteriet.

Att välja en lägre spänningströskel eller helt ta bort mättnadsladdningen hjälper till att förlänga livslängden på litiumjonbatteriet. Det är sant att detta tillvägagångssätt åtföljs av en minskning av batteriets energifrisättningstid.

Det bör noteras här: hushållsladdare fungerar som regel med maximal effekt och stöder inte justering av laddningsströmmen (spänning).

Tillverkare av litiumjonbatteriladdare för konsumenter anser att lång batteritid är mindre viktig än kostnaden för kretsens komplexitet.

Li-ion batteriladdare

Vissa billiga hushållsladdare fungerar ofta med en förenklad metod. Ladda ett litiumjonbatteri på en timme eller mindre, utan att gå till mättnadsladdning.

Klar-indikatorn på sådana enheter tänds när batteriet når spänningströskeln i det första steget. Laddningsläget är cirka 85 %, vilket ofta tillfredsställer många användare.

Denna inhemskt tillverkade laddare erbjuds att fungera med olika batterier, inklusive litiumjonbatterier. Enheten har ett spännings- och strömregleringssystem, vilket redan är bra

Professionella laddare (dyra) kännetecknas av att de sätter laddningsspänningströskeln lägre och förlänger därmed livslängden på litiumjonbatteriet.

Tabellen visar den beräknade effekten vid laddning med sådana enheter vid olika spänningströsklar, med och utan mättnadsladdning:

Laddspänning, V/per cell	Kapacitet vid högspänningsavbrott, %	Laddningstid, min	Kapacitet vid full mättnad, %
3.80	60	120	65
3.90	70	135	75
4.00	75	150	80
4.10	80	165	90
4.20	85	180	100

Så fort litiumjonbatteriet börjar laddas ökar spänningen snabbt. Detta beteende är jämförbart med att lyfta en last med ett gummiband när det finns en eftersläpningseffekt.

Kapacitet kommer så småningom att uppnås när batteriet är fulladdat. Denna laddningsegenskap är typisk för alla batterier.

Ju högre laddningsström, desto ljusare blir gummibandseffekten. Låg temperatur eller närvaron av en cell med högt inre motstånd förstärker bara effekten.

Strukturen hos ett litiumjonbatteri i sin enklaste form: 1- negativ samlingsskena av koppar; 2 — positivt däck av aluminium; 3 - koboltoxidanod; 4- grafitkatod; 5 - elektrolyt

Att bedöma laddningstillståndet genom att läsa av spänningen hos ett laddat batteri är opraktiskt. Att mäta den öppna kretsspänningen (tomgång) efter att batteriet har stått i flera timmar är den bästa utvärderingsindikatorn.

Som med andra batterier påverkar temperaturen tomgångsvarvtalet på samma sätt som den påverkar det aktiva materialet i ett litiumjonbatteri. , bärbara datorer och andra enheter uppskattas genom att räkna coulombs.

Litiumjonbatteri: mättnadströskel

Ett litiumjonbatteri kan inte absorbera överskottsladdning. Därför, när batteriet är helt mättat, måste laddningsströmmen omedelbart tas bort.

En konstant strömladdning kan leda till metallisering av litiumelement, vilket bryter mot principen om att säkerställa säker drift av sådana batterier.

För att minimera bildandet av defekter bör du koppla bort litiumjonbatteriet så snabbt som möjligt när det når toppladdning.

Detta batteri kommer inte längre att ta exakt så mycket laddning som det borde. På grund av felaktig laddning förlorade den sina huvudsakliga egenskaper som energilagringsenhet.

Så fort laddningen upphör börjar spänningen på litiumjonbatteriet sjunka. Effekten av att minska fysisk stress visas.

Under en tid kommer den öppna kretsspänningen att fördelas mellan ojämnt laddade celler med en spänning på 3,70 V och 3,90 V.

Här uppmärksammas också processen när ett litiumjonbatteri, som har fått en helt mättad laddning, börjar ladda det intilliggande (om ett sådant ingår i kretsen), som inte fått någon mättnadsladdning.

När litiumjonbatterier ständigt måste hållas på laddaren för att säkerställa deras beredskap, bör du lita på laddare som har en kortvarig kompensationsladdningsfunktion.

Blixtladdaren slås på när den öppna kretsspänningen sjunker till 4,05 V/I och stängs av när spänningen når 4,20 V/I.

Laddare konstruerade för driftklara eller standby-drift låter ofta batterispänningen sjunka till 4,00V/I och laddar endast Li-Ion-batterier till 4,05V/I istället för att nå hela 4,20V/I-nivån.

Denna teknik minskar den fysiska spänningen, som är naturligt förknippad med teknisk spänning, och hjälper till att förlänga batteriets livslängd.

Laddar koboltfria batterier

Traditionella batterier har en nominell cellspänning på 3,60 volt. Men för enheter som inte innehåller kobolt är betyget annorlunda.

Sålunda har litiumfosfatbatterier ett nominellt värde på 3,20 volt (laddningsspänning 3,65V). Och nya litiumtitanatbatterier (tillverkade i Ryssland) har en nominell cellspänning på 2,40V (laddarspänning 2,85).

Litiumfosfatbatterier är energilagringsenheter som inte innehåller kobolt i sin struktur. Detta faktum förändrar laddningsvillkoren för sådana batterier något.

Traditionella laddare är inte lämpliga för sådana batterier, eftersom de överbelastar batteriet med risk för explosion. Omvänt kommer ett laddningssystem för koboltfria batterier inte att ge tillräcklig laddning till ett traditionellt 3,60V litiumjonbatteri.

Överskridande laddning av litiumjonbatteri

Litiumjonbatteriet fungerar säkert inom specificerade driftsspänningar. Batteriets prestanda blir dock instabil om det laddas över driftsgränserna.

Långtidsladdning av ett litiumjonbatteri med en spänning över 4,30V, designat för en driftskapacitet på 4,20V, är fylld med litiummetallisering av anoden.

Katodmaterialet får i sin tur egenskaperna hos ett oxidationsmedel, förlorar sin stabilitet och frigör koldioxid.

Trycket i battericellen ökar och om laddningen fortsätter kommer den interna skyddsanordningen att arbeta vid ett tryck mellan 1000 kPa och 3180 kPa.

Om tryckökningen fortsätter efter detta, öppnar skyddsmembranet vid en trycknivå av 3.450 kPa. I detta tillstånd är litiumjonbattericellen på gränsen till att explodera och gör så småningom just det.

Struktur: 1 - topplock; 2 - övre isolator; 3 - stålburk; 4 - nedre isolator; 5 — anodflik; 6 - katod; 7 - separator; 8 - anod; 9 — katodflik; 10 - ventilering; 11 - PTC; 12 — packning

Utlösning av skyddet inuti ett litiumjonbatteri är förknippat med en ökning av temperaturen på det interna innehållet. Ett fulladdat batteri har en högre intern temperatur än ett delvis laddat.

Därför verkar litiumjonbatterier vara säkrare när de laddas på en låg nivå. Det är därför som myndigheterna i vissa länder kräver användning av litiumjonbatterier i flygplan som är mättade med energi som inte är mer än 30 % av sin fulla kapacitet.

Den interna batteritemperaturtröskeln vid full belastning är:

• 130-150°C (för litium-kobolt);
• 170-180°C (för nickel-mangan-kobolt);
• 230-250°C (för litiummangan).

Det bör noteras: litiumfosfatbatterier har bättre temperaturstabilitet än litiummanganbatterier. Litiumjonbatterier är inte de enda som utgör en fara i energiöverbelastningsförhållanden.

Till exempel är bly-nickel-batterier också benägna att smälta med efterföljande eld om energimättnad utförs i strid med passregimen.

Därför är det av största vikt för alla litiumjonbatterier att använda laddare som är perfekt anpassade till batteriet.

Några slutsatser från analysen

Att ladda litiumjonbatterier har en förenklad procedur jämfört med nickelsystem. Laddningskretsen är enkel, med spännings- och strömgränser.

Denna krets är mycket enklare än en krets som analyserar komplexa spänningssignaturer som ändras när batteriet används.

Energimättnadsprocessen för litiumjonbatterier tillåter avbrott. Dessa batterier behöver inte vara helt mättade, vilket är fallet med blybatterier.

Styrkrets för lågeffekt litiumjonbatterier. En enkel lösning och ett minimum av detaljer. Men kretsen ger inte cykelförhållanden som upprätthåller en lång livslängd

Egenskaperna hos litiumjonbatterier lovar fördelar vid driften av förnybara energikällor (solpaneler och vindturbiner). Som regel ger en vindgenerator sällan full batteriladdning.

För litiumjon förenklar avsaknaden av stationära laddningskrav laddningsregulatorns design. Ett litiumjonbatteri kräver ingen styrenhet för att utjämna spänning och ström, vilket krävs av blybatterier.

Alla hushålls- och de flesta industriella litiumjonladdare laddar batteriet helt. Befintliga lititillhandahåller emellertid i allmänhet inte spänningsreglering i slutet av cykeln.

• Översättning

Death of the Battery: Vi har alla sett det hända. I telefoner, bärbara datorer, kameror och nu elbilar är processen smärtsam och - om du har tur - långsam. Med åren tappar litiumjonbatteriet som en gång drev dina enheter i timmar (och till och med dagar!) gradvis sin förmåga att hålla en laddning. I slutändan kommer du att komma över det, kanske förbanna Steve Jobs och sedan köpa ett nytt batteri, eller till och med en ny pryl helt och hållet.

Men varför händer detta? Vad händer i ett batteri som gör att det dör? Det korta svaret är att på grund av skadorna från långvarig exponering för höga temperaturer och ett stort antal laddnings- och urladdningscykler, börjar rörelsen av litiumjoner mellan elektroderna så småningom att brytas ner.

Ett mer detaljerat svar som tar oss igenom oönskade kemiska reaktioner, korrosion, hot om höga temperaturer och andra faktorer som påverkar prestandan börjar med en förklaring av vad som händer i litiumjonbatterier när allt fungerar bra.

Introduktion till litiumjonbatterier

I ett vanligt litiumjonbatteri hittar vi en katod (eller negativ elektrod) gjord av litiumoxider, till exempel litiumkoboltoxid. Vi kommer också att hitta en anod eller positiv elektrod, som idag vanligtvis är gjord av grafit. En tunn porös separator håller isär de två elektroderna för att förhindra kortslutning. Och en elektrolyt gjord av organiska lösningsmedel och baserad på litiumsalter, som gör att litiumjoner kan röra sig inuti cellen.

Under laddning förflyttar en elektrisk ström litiumjoner från katoden till anoden. Under urladdning (med andra ord när batteriet används) rör sig jonerna tillbaka mot katoden.

Daniel Abraham, en forskare vid Argonne National Laboratory som forskar om nedbrytningen av litiumjonceller, jämförde processen med vatten i ett vattenkraftsystem. Vatten som rör sig upp kräver energi, men det rinner ner mycket lätt. Faktum är att den tillför kinetisk energi, säger Abraham, på ett liknande sätt som litiumkoboltoxiden i katoden "inte vill ge upp sitt litium." Liksom uppåtgående vatten krävs energi för att flytta litiumatomerna ut ur oxiden och in i anoden.

Under laddningen placeras joner mellan ark av grafit som utgör anoden. Men, som Abraham uttrycker det, "de vill inte vara där; första chansen de får kommer de att flytta tillbaka", som vatten som rinner nerför en kulle. Det här är avspänning. Ett batteri med lång livslängd klarar flera tusen sådana laddnings-urladdningscykler.

När är ett dött batteri verkligen dött?

När vi talar om ett dött batteri är det viktigt att förstå två prestandamått: energi och kraft. I vissa fall är hastigheten med vilken du kan hämta ström från batteriet mycket viktig. Det här är makt. I elfordon möjliggör hög effekt snabb acceleration, liksom inbromsning, vilket kräver att batteriet laddas inom några sekunder.

I mobiltelefoner, å andra sidan, är hög effekt mindre viktig än kapaciteten, eller hur mycket energi batteriet kan hålla. Högkapacitetsbatterier håller längre på en enda laddning.

Med tiden försämras ett batteri på flera sätt som kan påverka både kapacitet och effekt, tills det så småningom helt enkelt inte kan utföra grundläggande funktioner.

Tänk på det i en annan vattenanalogi: att ladda ett batteri är som att fylla en hink med kranvatten. Skopans volym representerar batteriets kapacitet, eller kapacitet. Hastigheten med vilken du kan fylla den - antingen genom att vrida på kranen helt eller i ett sipprat - är kraften. Men tid, höga temperaturer, flera cykler och andra faktorer skapar så småningom ett hål i skopan.

I hink-analogin läcker vatten ut. I ett batteri tas litiumjonerna bort, eller "binds", säger Abraham. Som ett resultat berövas de förmågan att röra sig mellan elektroderna. Så efter några månader behöver nu en mobiltelefon som ursprungligen krävde laddning en gång varannan dag laddas var 24:e timme. Sedan två gånger om dagen. Så småningom kommer för många litiumjoner att bli "bundna" och batteriet kommer inte att hålla någon användbar laddning. Hinken kommer att sluta hålla vatten.

Vad går sönder och varför

Den aktiva delen av katoden (källan till litiumjoner i batteriet) är utformad med en specifik atomstruktur för att säkerställa stabilitet och prestanda. När jonerna flyttar till anoden och sedan tillbaka till katoden, vill du helst att de ska återgå till sin ursprungliga plats för att bibehålla en stabil kristallstruktur.

Problemet är att kristallstrukturen kan förändras med varje laddning och urladdning. Joner från lägenhet A kommer inte nödvändigtvis tillbaka hem, men de kan flytta in i lägenhet B bredvid. Sedan finner jon från lägenhet B sin plats upptagen av denna luffare och bestämmer sig för att flytta in längre ner i korridoren utan att gå in i konfrontation. Och så vidare.

Gradvis omvandlar dessa "fasövergångar" i ämnet katoden till en ny kristallin kristallstruktur med olika elektrokemiska egenskaper. Det exakta arrangemanget av atomer som initialt producerar den nödvändiga prestandan ändras.

I hybridbilsbatterier, som bara behövs för att ge ström när fordonet accelererar eller bromsar, konstaterar Abraham, dessa strukturella förändringar sker mycket långsammare än i elfordon. Detta beror på det faktum att i varje cykel bara en liten del av litiumjonerna rör sig genom systemet. Som ett resultat är det lättare för dem att återgå till sina ursprungliga positioner.

Korrosionsproblem

Nedbrytning kan även förekomma i andra delar av batteriet. Varje elektrod är ansluten till en strömavtagare, som i huvudsak är en metallbit (vanligtvis koppar för anoden, aluminium för katoden) som samlar elektroner och flyttar dem till en extern krets. Så vi har lera gjord av ett "aktivt" material som kallas litiumkoboltoxid (som är keramiskt och inte en särskilt bra ledare) och ett limliknande bindematerial applicerat på en metallbit.

Om bindningsmaterialet går sönder kommer det att göra att strömavtagarens yta "skalar". Om en metall korroderar kan den inte flytta elektroner effektivt.

Korrosion i ett batteri kan orsakas av interaktionen mellan elektrolyten och elektroderna. Grafitanoden "lösgörs lätt", d.v.s. det "donerar" lätt elektroner till elektrolyten. Detta kan resultera i en oönskad beläggning på grafitens yta. Katoden är under tiden mycket "oxiderbar", vilket innebär att den lätt tar emot elektroner från elektrolyten, vilket i vissa fall kan korrodera strömavtagarens aluminium eller bilda en beläggning på delar av katoden, säger Abraham.

För mycket av det goda

Grafit, ett material som ofta används för att tillverka anoder, är termodynamiskt instabilt i organiska elektrolyter. Det betyder att från den allra första laddningen av vårt batteri reagerar grafit med elektrolyten. Detta skapar ett poröst lager (kallat solid electrolyte interface, eller SEI), som i slutändan skyddar anoden från ytterligare attack. Denna reaktion förbrukar också en liten mängd litium. I en ideal värld skulle denna reaktion ske en gång för att skapa ett skyddande lager, och det skulle vara slutet på det.

I verkligheten är dock TEI en väldigt instabil försvarare. Det skyddar grafit väl vid rumstemperatur, säger Abraham, men vid höga temperaturer eller när batteriladdningen sjunker till noll ("djupurladdning") kan TEI delvis lösas upp i elektrolyten. Vid höga temperaturer tenderar elektrolyter också att sönderdelas och sidoreaktioner påskyndas.

När gynnsamma förhållanden återvänder bildas ytterligare ett skyddande lager, men detta kommer att äta upp en del av litiumet, vilket orsakar samma problem som en läckande hink. Vi kommer att behöva ladda vår mobiltelefon oftare.

Så vi behöver TEI för att skydda grafitanoden, och i det här fallet kan det verkligen bli för mycket av det goda. Om skyddsskiktet blir för tjockt blir det en barriär mot litiumjoner, som krävs för att röra sig fritt fram och tillbaka. Detta påverkar kraften, vilket Abraham betonar är "extremt viktigt" för elfordon.

Skapa bättre batterier

Så vad kan vi göra för att förlänga livslängden på våra batterier? Forskare i laboratorier söker efter elektrolyttillskott som fungerar som vitaminerna i vår kost, d.v.s. kommer att tillåta batterier att prestera bättre och hålla längre genom att minska skadliga reaktioner mellan elektroderna och elektrolyten, säger Abraham. De letar också efter nya, mer stabila kristallstrukturer för elektroder, samt stabilare bindemedel och elektrolyter.

Samtidigt arbetar ingenjörer på batteri- och elfordonsföretag med hus och värmeledningssystem i ett försök att hålla litiumjonbatterier inom ett konstant, hälsosamt temperaturintervall. Vi som konsumenter måste undvika extrema temperaturer och djupa urladdningar och fortsätter att gnälla över batterier som alltid verkar dö för snabbt.

Litiumjonbatterier är inte lika petiga som sina nickel-metallhydrid-motsvarigheter, men de kräver fortfarande lite vård. Håller sig till fem enkla regler, kan du inte bara förlänga livscykeln för litiumjonbatterier, utan också öka driftstiden för mobila enheter utan att laddas om.

Tillåt inte fullständig urladdning. Litiumjonbatterier har inte den så kallade minneseffekten, så de kan och behöver dessutom laddas utan att vänta på att de laddas ur till noll. Många tillverkare beräknar livslängden för ett litiumjonbatteri med antalet fulla urladdningscykler (upp till 0%). För kvalitetsbatterier detta 400-600 cykler. Ladda telefonen oftare för att förlänga livslängden på ditt litiumjonbatteri. Optimalt, så fort batteriladdningen sjunker under 10-20 procent, kan du sätta telefonen på laddning. Detta kommer att öka antalet urladdningscykler till 1000-1100 .
Experter beskriver denna process med en sådan indikator som Depth Of Discharge. Om din telefon är urladdad till 20 % är urladdningsdjupet 80 %. Tabellen nedan visar beroendet av antalet urladdningscykler för ett litiumjonbatteri på urladdningsdjupet:

Utskrivning en gång var 3:e månad. Full laddning under lång tid är lika skadligt för litiumjonbatterier som att konstant ladda ur till noll.
På grund av den extremt instabila laddningsprocessen (vi laddar ofta telefonen vid behov, och när det är möjligt, från USB, från ett uttag, från ett externt batteri, etc.), rekommenderar experter att du laddar ur batteriet helt en gång var tredje månad och sedan laddar det. till 100 % och håll den på laddning i 8-12 timmar. Detta hjälper till att återställa de så kallade flaggorna för högt och lågt batteri. Du kan läsa mer om detta.

Förvara delvis laddad. Det optimala villkoret för långtidsförvaring av ett litiumjonbatteri är mellan 30 och 50 procents laddning vid 15°C. Om du lämnar batteriet fulladdat kommer dess kapacitet att minska avsevärt med tiden. Men batteriet, som har samlat damm på en hylla under lång tid, urladdat till noll, är sannolikt inte längre vid liv - det är dags att skicka det för återvinning.
Tabellen nedan visar hur mycket kapacitet som återstår i ett litiumjonbatteri beroende på lagringstemperatur och laddningsnivå vid förvaring i 1 år.

Använd originalladdaren. Få människor vet att laddaren i de flesta fall är byggd direkt inuti mobila enheter, och den externa nätverksadaptern sänker bara spänningen och korrigerar strömmen i hushållets elektriska nätverk, det vill säga det påverkar inte batteriet direkt. Vissa prylar, som digitalkameror, har ingen inbyggd laddare, och därför sätts deras litiumjonbatterier i en extern "laddare". Det är där att använda en extern laddare av tveksam kvalitet istället för originalet kan påverka batteriets prestanda negativt.

Undvik överhettning. Jo, litiumjonbatteriers värsta fiende är hög temperatur - de tål inte överhettning alls. Utsätt därför inte dina mobila enheter för direkt solljus och placera dem inte nära värmekällor som elektriska värmare. De högsta tillåtna temperaturerna vid vilka litiumjonbatterier kan användas är: från –40°C till +50°C

Du kan också titta