Li-iontové baterie: zařízení, princip fungování a životnost lithium-iontových baterií

Na začátku minulého století se kapesní zdroj energie zdál nemožný, ale technologický pokrok vše změnil. Dnes si nelze představit život bez „prstových“ baterií nebo baterií do mobilního telefonu. Na trhu existuje mnoho různých napájecích prvků a každý typ má své vlastní oblasti použití a úkoly. Jedním z lídrů v tomto sektoru je lithium-iontová baterie.

Historie vzniku lithium-iontových baterií

První lithium-iontové baterie byly vytvořeny již v 1970. letech XNUMX. století. Jednalo se o revoluční prvky, jejichž energetická kapacita byla výrazně vyšší než u jiných typů zařízení. První vzorky si získaly pověst výbušných zařízení, protože při velkém počtu nabíjecích cyklů docházelo uvnitř baterie k reakcím s uvolňováním plynu a tepla.

K masové výrobě lithiových zařízení došlo až v roce 1991. Hlavním výrobcem lithium-iontových baterií byla společnost Sony. Na trh vstoupily vylepšené baterie, u kterých byla anoda nahrazena grafitovou tyčí. Díky tomu byl problém „výbuchů“ prakticky vyřešen a moderní zařízení jsou také vybavena regulátorem, který zabraňuje přebíjení a minimalizuje riziko požáru.

Co je to lithium-iontová baterie

Lithiové baterie patří k nejoblíbenějším a nejmodernějším typům baterií. Tyto zdroje energie se instalují do různých zařízení a jsou obzvláště ceněny pro svou vysokou kapacitu a kompaktní rozměry.

Jak funguje lithium-iontová baterie

Li-ion baterie je vícevrstvé zařízení a její provoz je založen na interakci a elektrochemickém potenciálu těchto vrstev. Čisté lithium je kov s velmi vysokou chemickou aktivitou, který reaguje i s vodou a vzduchem.

Oxid lithný je úplným opakem svého „čistého bratra“ a je docela stabilní. Princip fungování zařízení spočívá v tom, že kovy uvolňují své elektrony, které se následně stanou kladnými ionty (kationty).

Schopnost darovat elektrony se u různých prvků značně liší a lithium je v této oblasti lídrem.

Při nabíjení lithium-iontových baterií se uvolňují elektrony a začínají se pohybovat směrem ke katodě (kladný náboj) a kladné ionty se pohybují směrem k anodě. Při použití nabité baterie se vše děje v opačném směru. Tento pohyb částic vede ke vzniku elektrického proudu.

Zařízení s lithium-iontovou baterií

Baterie tohoto typu jsou navrženy následovně:

1. Katoda neboli záporná elektroda je hliníková fólie potažená vrstvou oxidu lithného.
2. Anoda nebo kladná elektroda. Měděná fólie potažená vrstvou grafitu.
3. Separátor. Porézní separátor a elektrolyt.
4. Utěsněné pouzdro. To je nutnost, protože pokles tlaku v baterii může způsobit její rozbití, požár a dokonce i výbuch.
5. Kladné a záporné proudové svorky.

Některá zařízení mohou být také vybavena dalšími regulátory a pojistkami. Takové součástky pomáhají zvýšit odpor během ohřevu, uvolnit vnitřní tlak nebo přerušit kontakt mezi katodou a kladným pólem proudu v nouzových situacích.

Velikosti lithiových baterií se mohou značně lišit, ale co se týče tvaru, existují dva hlavní typy:

U válcových baterií jsou srolovány tenké vrstvy anody, katody a separátoru. Prizmatické baterie předpokládají těsné stlačení vrstev k sobě.

Výhody a nevýhody lithiových baterií

Popularita lithiových baterií mluví sama za sebe – taková zařízení mají mnoho výhod:

• vynikající energetická kapacita;
• „paměťový efekt“ je minimalizován;
• dlouhá životnost;
• nevyžadují dodatečnou údržbu;
• schopnost pracovat při různých teplotách;
• samovybíjení prakticky chybí;
• kompaktní rozměry a možnost dát baterii jakýkoli tvar.

Lithiové baterie však nejsou dokonalé a mají řadu nevýhod:

• vysoká cena ve srovnání s jinými typy baterií;
• omezený počet cyklů nabíjení;
• vždy existuje minimální riziko výbuchu nebo požáru;
• Mechanické poškození je nebezpečné a může vést k selhání baterie;
• Vysoce kvalitní práce je možná pouze při dodržování pravidel nabíjení a používání.

Několik lithium-iontových baterií.

Hlavní typy lithium-iontových baterií

Existuje několik typů lithiových baterií. Liší se chemickým složením, kapacitou a oblastmi použití.

značkování

Všechny hlavní parametry lithiových baterií naleznete na pouzdře, stačí vědět, jak rozluštit označení. Označení se skládá ze sady písmen a číslic a každý symbol má své vlastní označení. Písmena poskytují informace o složení a možnosti dobíjení baterie.

První písmeno „I“ označuje lithium-iontovou technologii a třetí písmeno „R“ označuje možnost dobíjení baterie. Druhé písmeno nese nejdůležitější informaci – přítomnost různých kovů ve složení:

• C – kobalt;
• M – mangan;
• N – nikl a mangan;
• R – železo a fosfát.

Čísla v označení označují rozměry baterie:

• první dvě číslice označují průměr nebo šířku;
• třetí a čtvrtá číslice udávají délku;
• Číslo „0“ na konci označuje válcovitý tvar baterie.

Dobíjecí baterie pro telefony.

Charakteristiky lithium-iontových baterií

Hlavní charakteristiky jakéhokoli napájecího zdroje jsou:

• Napětí;
• kapacita;
• Rozsah provozních teplot;
• samovybíjení;
• život.

Pracovní napětí

Hlavním faktorem ovlivňujícím rozsah provozního napětí je materiál, ze kterého jsou elektrody vyrobeny. U lithiových zařízení je minimum tohoto ukazatele 2,2-2,5 V a maximum 4,25-4,35 V.

Kapacita

Kapacita baterie je maximální počet kovových iontů, které mohou dosáhnout záporné a kladné elektrody. Během provozu anoda a katoda postupně ztrácejí schopnost pojmout předchozí počet iontů, a kapacita baterie se snižuje.

Maximální kapacita Li-ion baterie přímo závisí na její velikosti a může být desítky nebo tisíce mAh. Nejoblíbenější baterie jsou 18650, mohou mít kapacitu 1000-3600 mAh, a baterii 14500, která má rozměry prstové baterie (AA) – 900 mAh.

Provozní teplota

Rozsah provozních teplot lithiových baterií je širší než u mnoha jiných typů zařízení a pohybuje se od -20 °C do +50 °C. Baterie může poskytovat maximální výkon pouze při příjemné teplotě okolo +20 °C.

Při teplotách pod +4 °C se energetická kapacita funkční baterie začíná snižovat a při záporných hodnotách může ztratit až 50 % a vybít se přímo před očima. Nejlepší teplota pro skladování baterií je od 0 do +10 °C.

Samovybíjení označuje pokles kapacity baterie, když se nepoužívá (během skladování). U lithiových zařízení je toto číslo pouze 6–10 % ročně.

Za předpokladu, že je baterie zcela vybitá, je maximální počet cyklů 500-1000, ale pokud budete dodržovat všechna pravidla pro nabíjení a provoz, můžete „životnost“ baterie několikrát prodloužit.

Aplikace lithium-iontových baterií

Lithium-iontové baterie jsou díky svým mnoha výhodám velmi oblíbené a používají se v různých zařízeních.

Jako startovací baterie

Autobaterie tohoto typu si se svým úkolem dokonale poradí a jejich hlavní výhodou je nízká hmotnost, protože technologie nezahrnuje použití olověných mřížek.

Nejvýraznějším příkladem lithiových baterií v automobilech je elektromobil Tesla.

Hlavní nevýhodou těchto zařízení je jejich cena a také problémy s provozem při teplotách pod bodem mrazu. Z tohoto důvodu se lithiové baterie nepoužívají v zemích s chladným podnebím.

Jako trakční zařízení

Technologie Li-ion se používá u motorových člunů. Pokud má plavidlo motor s nízkým výkonem, baterie vydrží 5–6 hodin provozu. Zařízení na bázi lithia se používají také ve vysokozdvižných vozících a výtahech pro práci ve skladech.

Bílé zboží

Lithium-iontová zařízení jsou nejoblíbenější náhradou za běžné „prstové“ baterie, a to jak alkalické, tak i solné. Pro výměnu 1,5V baterií použijte jednu 3,6V baterii. Lithiové baterie jsou nepostradatelné pro mobilní telefony, notebooky a další malé domácí spotřebiče.

Baterie se používají v domácích spotřebičích.

Jak správně používat lithium-iontové baterie

Lithiová zařízení mají záviděníhodnou kapacitu a mohou věrně sloužit po mnoho let. Aby baterie fungovala co nejdéle, je nutné dodržovat některá pravidla používání.

zabezpečení

Jakákoli baterie může být potenciálně nebezpečná, zejména pokud je používána nesprávně. První vzorky lithiových baterií si vysloužily pověst „výbušných“ zařízení. Hlavní příčinou požárů a výbuchů bylo přebíjení baterií. Nová generace zařízení je často vybavena speciálním regulátorem, který tento problém řeší.

Většina lithium-iontových baterií se může pochlubit také ochrannými vrstvami, které zabraňují vnitřním zkratům, a některé modely mají podobnou ochranu i proti vnějším. Celkově vzato, vysoce kvalitní moderní baterie tohoto typu, je bezpečné zařízení a jednotlivé případy požáru jsou nejčastěji vinou bezohledných výrobců, kteří se rozhodli ušetřit peníze.

Už jste někdy měnili baterii v telefonu?

Požadavky na režimy nabíjení/vybíjení

Nejdůležitějším pravidlem při používání lithiové baterie je vyhnout se hlubokému vybití. To má negativní vliv na vlastnosti baterie a někdy může vést k jejímu úplnému selhání.

Aby baterie vydržela co nejdéle, je třeba ji včas nabíjet a používat nabíječku se správným napětím. Použití nabíječky s napětím o 3–4 % vyšším, než je nutné, může způsobit přehřátí a rychlou ztrátu kapacity. Měli byste se také vyvarovat přebíjení baterie. I u moderních regulátorů je přebíjení pro baterii škodlivé.

Výdrž lithium-iontové baterie

Životnost takových baterií závisí na počtu cyklů úplného vybití a správném provozu, takže není možné specifikovat žádnou konkrétní dobu. Předpokládá se, že při přísném dodržování doporučení pro použití může lithium-iontová baterie vydržet až 8–10 let.

Skladování a likvidace lithium-iontových baterií

Samovybíjení lithiových baterií je ve srovnání s jinými typy zařízení velmi nízké a pokud zajistíte správné skladovací podmínky, lze jej snížit na minimum.

Ideální podmínky pro skladování lithiových baterií:

• nízká úroveň vlhkosti;
• absence vibrací a jiných mechanických vlivů;
• maximální vzdálenost od zdrojů tepla nebo otevřeného ohně;
• pokojová teplota 5–25 °C;
• nabití baterie je nad 40 %.

I když budete dodržovat všechna pravidla, baterie bude stále pomalu ztrácet část své kapacity.

Lithium-iontové baterie nelze jen tak vyhodit do koše. Správná a vědomá likvidace takových baterií zahrnuje jejich předání specializovaným recyklačním organizacím. To je důležité, protože většina materiálů z vadných baterií se používá k výrobě nových zařízení.

Paměťový efekt lithiových baterií

Paměťový efekt je ztráta kapacity baterie v důsledku nesprávného nabíjení. Tento problém je typický pro Ni-Cd a Ni-MH zařízení, ale u Li-ion prakticky chybí. Zpočátku se věřilo, že lithiová zařízení tuto vlastnost vůbec nemají. Výzkum v roce 2013 nicméně prokázal, že „paměťový efekt“ existuje, ale je velmi nevýznamný a nemá prakticky žádný vliv na výkon baterie.

Jaký je rozdíl mezi originálními bateriemi a „padělky“

Vzhledem ke své popularitě je sortiment lithiových baterií velmi široký. Baterie se stejnou kapacitou se často prodávají za různé ceny. Levnost jednotlivých baterií je způsobena absencí regulátorů dobíjení v zařízeních, ale to neznamená, že se jedná o nekvalitní a nebezpečné padělky. Takové baterie mohou být vyrobeny speciálně pro použití v zařízeních s vestavěnými regulátory.

Jak zkontrolovat výkon lithiové baterie

Pro kontrolu stavu baterie budete potřebovat speciální tester a zatěžovací rezistor. Před kontrolou musí být baterie nabita na 100 %. Jeden konec nabité baterie je připojen k testeru a druhý k zatěžovacímu rezistoru.

Získané informace o kapacitě, napětí a proudu je nutné porovnat s deklarovanými charakteristikami baterie. Významná odchylka od základní hodnoty naznačuje, že že se životnost baterie blíží ke konci.