Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Je těžké si představit život moderního člověka bez mobilního telefonu, tabletu, notebooku, mp3 přehrávače, reproduktorů a dalších přenosných přenosných zařízení. Těžko by si ale jejich práci bylo možné představit bez kvalitního zdroje energie. Jednou z nejběžnějších možností napájení přenosných zařízení je lithium-iontová baterie. Jak taková baterie funguje a co je na ní pozoruhodné, zvážíme v tomto článku.
Design a princip fungování
Lithium jako chemický prvek je již dlouho známé svou schopností snadno přenášet náboj díky jednomu elektronu umístěnému na vnější dráze.Lithium se však ve sloučeninách stabilizuje a jeho soli špatně reagují. V Li-Ion bateriích je úloha využití vlastností tohoto chemického prvku k napájení elektrických spotřebičů vyřešena díky konstrukčním prvkům.
Rýže. 1. Li-ion bateriové zařízení
Konstrukčně se lithium-iontová baterie skládá z následujících částí:
- Pozitivně nabitá elektroda - vyrobena z hliníkové fólie. Zpravidla se vyrábí ze tří vrstev, z nichž první je hliník a další dvě jsou práškové nebo heliové spreje. Složení povlaku zahrnuje vodivé báze a uhlíkové struktury.
- Záporně nabitá elektroda je kompozitní prvek vyrobený na bázi měděné fólie, která je potažena nanostrukturovanými lithiovými solemi. Což jsou sloučeniny lithia se železem nebo kob altem, nanášejí se na měděný povrch vodivým lepidlem.
- Elektrolyt - navržený k vyplnění prostoru mezi anodou a katodou. Během provozu lithium-iontové baterie prochází elektrolyt kladnými ionty lithia, ale je neprostupnou překážkou pro záporně nabité elektrony. Kapalný elektrolyt je zpravidla založen na lithiových solích.
- Separátor nebo separátor - používá se k oddělení anody od katody, zabraňuje nevratné chemické reakci v případě vnitřního zkratu desek nebo při růstu dendritů. Nejčastěji je vyroben z porézního polyetylenového plechu, který se nachází ve vrstvě elektrolytu.
V souladu s článkem 3.6 GOST R IEC 62660-1-2014 by lithium-iontová baterie měla být chápána jako baterie, ve které při nabíjení z katody jdou ionty lithia na anodu a v případě výboje nákladem se pohybují zpět. Během výrobní fáze napájecího zdroje je systém kladných a záporných elektrod ve stabilním stavu.
Rýže. 2. Zpočátku je systém lithium-iontových baterií ve stabilním stavu
Jakmile se na desky přivede nabíjecí napětí, pod jeho vlivem začne proces uvolňování elektronů z atomů lithia za vzniku kladně nabitých iontů.
Rýže. 3. Vlivem nabíjecího napětí se z atomů uvolní elektrony
Elektrony se začnou přitahovat k měděné elektrodě, ale nebudou schopny proniknout tloušťkou elektrolytu. Proto se elementární nabité částice začnou pohybovat po uzavřeném okruhu.
Rýže. 4. Elektrony v uzavřeném okruhu se budou pohybovat od katody k anodě
Zatímco kladně nabité ionty lithia budou moci volně pronikat elektrolytem a procházet do porézní grafitové vrstvy. V lithium-iontové baterii se tedy akumuluje náboj, proces pokračuje, dokud není katodová zóna nasycena.
Rýže. 5. Lithné ionty se budou pohybovat elektrolytem
Výsledkem je stav lithium-iontové baterie, ve které má záporná elektroda určitý náboj, ale její stav je extrémně nestabilní. Nahromaděné pod vlivem externího zdroje energie, ionty lithia a elektrony se navzájem vyrovnávají.
Rýže. 6. Stav nabití lithium-iontové baterie
Tato rovnováha nabití v lithium-iontové baterii je udržována, dokud není k jejím svorkám připojena jakákoli zátěž.
Při připojení jakéhokoli elektrického zařízení pro elektrony umístěné v záporně nabité elektrodě se zdá, že se dráha pohybuje směrem ke katodě.
Rýže. 7. Po připojení zátěže se elektrony přesunou zpět ke katodě
Elektrony se budou pohybovat vnějším elektrickým obvodem a kladně nabité ionty lithia budou procházet elektrolytem lithium-iontové baterie.Usměrněný pohyb záporně nabitých iontů vytváří elektrický proud. Když se nabité částice přesunou ze záporné elektrody na kladnou, baterie se vybije a pro obnovení energie bude nutné ji znovu nabít.
Vlastnosti
Provoz lithium-iontové baterie je založen na jejích technických parametrech. Mezi hlavní charakteristiky tohoto typu baterií patří:
- Hustota energie - měřeno ve Wh/kg, pro lithium-iontové baterie, nejčastěji v rozmezí od 90 do 120.
- Měrný výkon - určuje množství energie na jednotku hmotnosti, je cca 1 - 1,8 kW/kg.
- Procento samovybíjení – určuje množství energie promarněné baterií za určité časové období. U lithium-iontových modelů je to 2 - 3 % měsíčně. Když má baterie pokojovou teplotu, samovybíjení je pouze 7 % za rok.
- Přípustný teplotní rozsah - pro lithium-iontové baterie se nejčastěji pohybuje od -30 do +50°С, ale u některých modelů se může lišit od -60 do +70°С.
- Počet cyklů - označuje kvantitativní vyjádření možnosti vybití a následného nabití před selháním lithium-iontové baterie. V závislosti na modelu a konstrukčních vlastnostech se pohybuje od 2 do 5 tisíc cyklů. A při 0,5 - 1 tis. se zpravidla ztrácí cca 20 % počáteční kapacity.
- Minimální a maximální napětí - pro lithium-iontové baterie je nejmenší hodnota mezi 2,2 - 2,5 V a největší je 4,25 - 4,35 V.
- Doba nabíjení - v optimálním režimu je cca 2 - 4 hodiny.
Výhody a nevýhody
V poslední době zaujaly lithium-iontové baterie své významné místo na poli nezávislých napájecích zdrojů a nadále vytlačují jiné modely. Tento úspěch je způsoben řadou významných výhod:
- Vysoká energetická hustota ve srovnání s alkalickými, kyselými, nikl-kadmiovými a nikl-metalhydridovými.
- Ve srovnání s jinými typy se jeden prvek vyznačuje mnohem větším množstvím napětí, které je schopen dodat.
- Vyznačují se poměrně velkým počtem nabíjecích a vybíjecích cyklů, díky čemuž se mohou pochlubit delší životností.
- Může fungovat v poměrně širokém teplotním rozsahu.
- Ve srovnání s jinými typy baterií neobsahuje látky ohrožující životní prostředí.
Lithium-iontové baterie se však kromě výhod vyznačují také některými nevýhodami. Takže v případě nedodržení základních režimů nabíjení nebo provozu může baterie nejen selhat, ale také se vznítit. Pokud teplota klesne pod přípustnou mez, kapacita baterie se může snížit až o 20 %.Při přebití Li-Ion rychle selže.
Funkce
Lithium-iontové baterie při nesprávném použití rychle selžou. Jak si někteří majitelé mobilních telefonů mohli všimnout, taková baterie často bobtná, což brání normálnímu zavření víka.
Rýže. 8. Li-ion baterie bobtná
Tato situace je důsledkem uvolnění velkého množství plynů, které nafouknou tělo Li-Ion baterie. Zároveň při správném používání vydrží zdroj 10x déle.
Jedním z nejdůležitějších pravidel pro lithium-iontové napájecí zdroje je udržování mírného teplotního režimu. Jako nadměrné přehřívání není dovoleno například nechávat mobilní telefon na pláži na přímém slunci, v blízkosti topení nebo v autě na prudkém slunci. Stejně tak i prudké podchlazení.Pokud je během nabíjení zjištěno nadměrné teplo, musíte postup zastavit a vyjmout lithium-iontovou baterii pro chlazení.
Pokud najdete poškozenou a již oteklou baterii, v žádném případě se ji nepokoušejte prorazit nebo opravit. Pro vlastní bezpečnost je lepší jej vyměnit za nový, ale pečlivě dodržujte základní režimy a správné nabíjení.
Funkce nabíjení
Správné nabití určuje dobu trvání lithium-iontové baterie a hodnotu kapacity ve srovnání s továrními specifikacemi. Je tedy třeba poznamenat následující vlastnosti:
- Neměli byste dovolit úplné vybití - to sice není jednoznačné tvrzení, ale neustálé využívání elektřiny naakumulované v baterii o 100% velmi rychle povede k opotřebení prvků. Zde je však malé upozornění, jednou za tři měsíce je nutné takový postup provést, aby byla zachována horní a dolní hranice.
- Lithium-iontové baterie mají paměťový efekt, i když nepatrný. Proto je lepší je plně nabít, protože neustálý nedostatek nabíjení sníží kapacitu.
- Navzdory ochraně proti přebití u téměř všech lithium-iontových baterií byste je neměli nabíjet více, než je povoleno výrobcem.
- Pro nabíjení používejte originální napájecí zdroje, protože použití nestandardních zařízení může nepříznivě ovlivnit životnost lithium-iontových baterií.
Reference
- Kedrinsky I.A., Yakovlev V.G. "Li-ion baterie" 2002
- Medvedev B.S., Nalbandyan V.B., Guterman V.E. "Materiály lithium-iontových baterií" 2007
- Popova S.S., Denisov A.A., Denisova G.P. „Chemické zdroje proudu. Lithium-iontové baterie filmové konstrukce» 2009
- Melnichuk O. V. "Funkce nabíjení a vybíjení lithiových baterií a moderní technické prostředky řízení těchto procesů" 2016