Διαβάζοντας «συμβουλές για τη λειτουργία» των μπαταριών στα φόρουμ, δεν μπορείτε παρά να σκεφτείτε - είτε οι άνθρωποι παρέλειψαν τη φυσική και τη χημεία στο σχολείο είτε πιστεύουν ότι οι κανόνες για τη λειτουργία των μπαταριών μολύβδου-οξέος και ιόντων είναι οι ίδιοι.
Ας ξεκινήσουμε με τις αρχές λειτουργίας μιας μπαταρίας Li-Ion. Στα δάχτυλα, όλα είναι εξαιρετικά απλά - υπάρχει ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (συνήθως από χαλκό), υπάρχει ένα θετικό (από αλουμίνιο), μεταξύ τους υπάρχει μια πορώδης ουσία (διαχωριστής) εμποτισμένη με ηλεκτρολύτη (αποτρέπει το " μη εξουσιοδοτημένη μεταφορά ιόντων λιθίου μεταξύ των ηλεκτροδίων):
Η αρχή της λειτουργίας βασίζεται στην ικανότητα των ιόντων λιθίου να ενσωματώνονται στο κρυσταλλικό πλέγμα διαφόρων υλικών - συνήθως γραφίτη ή οξείδιο του πυριτίου - με το σχηματισμό χημικών δεσμών: κατά συνέπεια, κατά τη φόρτιση, τα ιόντα ενσωματώνονται στο κρυσταλλικό πλέγμα, συσσωρεύοντας έτσι ένα φορτίο σε ένα ηλεκτρόδιο και κατά την εκφόρτιση, αντίστοιχα μετακινούνται σε άλλο ηλεκτρόδιο, δίνοντας το ηλεκτρόνιο που χρειαζόμαστε (που ενδιαφέρεται για μια πιο ακριβή εξήγηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα - google intercalation). Ως ηλεκτρολύτες χρησιμοποιούνται διαλύματα που περιέχουν νερό και δεν περιέχουν ελεύθερο πρωτόνιο και είναι σταθερά σε μεγάλο εύρος τάσης. Όπως μπορείτε να δείτε, στις σύγχρονες μπαταρίες όλα γίνονται με ασφάλεια - δεν υπάρχει μέταλλο λιθίου, δεν υπάρχει τίποτα να εκραγεί, μόνο ιόντα διατρέχουν τον διαχωριστή.
Τώρα που όλα έχουν γίνει λίγο πολύ ξεκάθαρα σχετικά με την αρχή λειτουργίας, ας περάσουμε στους πιο συνηθισμένους μύθους για τις μπαταρίες Li-Ion:
- Μύθος πρώτος. Η μπαταρία Li-Ion στη συσκευή δεν μπορεί να αποφορτιστεί στο μηδέν τοις εκατό.
Στην πραγματικότητα, όλα ακούγονται σωστά και συμβαδίζουν με τη φυσική - όταν αποφορτιστεί στα ~2,5 V, η μπαταρία Li-Ion αρχίζει να υποβαθμίζεται πολύ γρήγορα και ακόμη και μια τέτοια εκφόρτιση μπορεί να μειώσει σημαντικά (έως και 10%!) τη χωρητικότητά της. Επιπλέον, εάν η τάση εκφορτιστεί σε μια τέτοια τάση με έναν τυπικό φορτιστή, δεν θα είναι πλέον δυνατή η φόρτισή της - εάν η τάση της μπαταρίας πέσει κάτω από ~3 V, ο "έξυπνος" ελεγκτής θα την απενεργοποιήσει ως κατεστραμμένη, και αν υπάρχουν όλα αυτά τα κελιά, η μπαταρία μπορεί να μεταφερθεί στα σκουπίδια.
Αλλά υπάρχει ένα πολύ σημαντικό πράγμα που όλοι ξεχνάνε: σε τηλέφωνα, tablet και άλλες κινητές συσκευές, το εύρος τάσης λειτουργίας της μπαταρίας είναι 3,5-4,2 V. Όταν η τάση πέσει κάτω από 3,5 V, η ένδειξη δείχνει μηδενικό τοις εκατό φόρτιση και η συσκευή απενεργοποιείται, αλλά πριν από το "κρίσιμο" 2,5 V είναι ακόμα πολύ μακριά. Αυτό επιβεβαιώνεται από το γεγονός ότι εάν συνδέσετε μια λυχνία LED σε μια τόσο "αφορτισμένη" μπαταρία, μπορεί να παραμείνει αναμμένη για μεγάλο χρονικό διάστημα (ίσως κάποιος θυμάται ότι πουλούσαν τηλέφωνα με φακούς που άναβαν με ένα κουμπί ανεξάρτητα από το σύστημα.Έτσι το φως εκεί συνέχισε να καίει ακόμα και μετά την αποφόρτιση και να κλείσει το τηλέφωνο). Δηλαδή, όπως μπορείτε να δείτε, κατά την κανονική χρήση, δεν υπάρχει εκφόρτιση στα 2,5 V, πράγμα που σημαίνει ότι είναι πολύ πιθανό να αποφορτιστεί η μπαταρία στο μηδέν τοις εκατό. - Μύθος δεύτερος. Εάν οι μπαταρίες Li-Ion καταστραφούν, εκρήγνυνται.
Όλοι θυμόμαστε το «εκρηκτικό» Samsung Galaxy Note 7. Ωστόσο, αυτό είναι μάλλον μια εξαίρεση στον κανόνα - ναι, το λίθιο είναι ένα πολύ ενεργό μέταλλο και δεν είναι δύσκολο να το εκραγεί στον αέρα (και καίει πολύ έντονα νερό). Ωστόσο, οι σύγχρονες μπαταρίες δεν χρησιμοποιούν λίθιο, αλλά τα ιόντα του, τα οποία είναι πολύ λιγότερο ενεργά. Έτσι, για να συμβεί μια έκρηξη, πρέπει να προσπαθήσετε πολύ σκληρά - είτε να καταστρέψετε τη μπαταρία φόρτισης (προκαλέστε βραχυκύκλωμα), είτε να την φορτίσετε με πολύ υψηλή τάση (τότε θα καταστραφεί, αλλά πιθανότατα ο ελεγκτής απλά θα καεί βγαίνει από μόνο του και δεν θα επιτρέψει στη μπαταρία να φορτιστεί). Επομένως, εάν ξαφνικά έχετε μια κατεστραμμένη ή καπνιστή μπαταρία στα χέρια σας, μην την πετάξετε στο τραπέζι και μην τρέξετε μακριά από το δωμάτιο φωνάζοντας "όλοι θα πεθάνουμε" - απλά βάλτε την σε ένα μεταλλικό δοχείο και πάρτε την έξω στο μπαλκόνι (για να μην εισπνέουν τα χημικά) - η μπαταρία θα σιγοκαίει για λίγο και μετά θα σβήσει. Το κύριο πράγμα δεν είναι να το γεμίσετε με νερό, τα ιόντα είναι φυσικά λιγότερο ενεργά από το λίθιο, αλλά παρόλα αυτά μια ορισμένη ποσότητα υδρογόνου θα απελευθερωθεί επίσης όταν αντιδρά με νερό (και του αρέσει να εκρήγνυται). - Μύθος τρίτος. Όταν μια μπαταρία Li-Ion φτάσει τους 300 (500/700/1000/100500) κύκλους, καθίσταται επικίνδυνη και πρέπει να αντικατασταθεί επειγόντως.
Ένας μύθος, ευτυχώς, που κυκλοφορεί όλο και λιγότερο στα φόρουμ και δεν έχει καμία απολύτως φυσική ή χημική εξήγηση. Ναι, κατά τη λειτουργία, τα ηλεκτρόδια οξειδώνονται και διαβρώνονται, γεγονός που μειώνει τη χωρητικότητα της μπαταρίας, αλλά αυτό δεν σας απειλεί με τίποτα άλλο εκτός από μικρότερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και ασταθή συμπεριφορά σε φόρτιση 10-20%. - Μύθος τέταρτος. Οι μπαταρίες Li-Ion δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο κρύο.
Αυτό είναι περισσότερο μια σύσταση παρά μια απαγόρευση. Πολλοί κατασκευαστές απαγορεύουν τη χρήση τηλεφώνων σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν και πολλοί αντιμετώπισαν ταχεία αποφόρτιση και ακόμη και κλείσιμο των τηλεφώνων στο κρύο. Η εξήγηση για αυτό είναι πολύ απλή: ο ηλεκτρολύτης είναι ένα τζελ που περιέχει νερό και όλοι γνωρίζουν τι συμβαίνει με το νερό σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν (ναι, παγώνει, αν μη τι άλλο), καθιστώντας έτσι άχρηστη κάποια περιοχή της μπαταρίας. Αυτό οδηγεί σε πτώση τάσης και ο ελεγκτής αρχίζει να το θεωρεί ως εκφόρτιση. Αυτό δεν είναι καλό για την μπαταρία, αλλά δεν είναι ούτε θανατηφόρο (μετά τη θέρμανση, η χωρητικότητα θα επιστρέψει), οπότε αν χρειάζεται απεγνωσμένα να χρησιμοποιήσετε το τηλέφωνο στο κρύο (για να το χρησιμοποιήσετε - βγάλτε το από μια ζεστή τσέπη, ελέγξτε ο χρόνος και το βάλτε πίσω δεν μετράει) τότε είναι καλύτερα να το φορτίσετε 100% και να ενεργοποιήσετε οποιαδήποτε διαδικασία φορτώνει τον επεξεργαστή - αυτό θα κρυώσει πιο αργά. - Μύθος πέμπτος. Μια διογκωμένη μπαταρία Li-Ion είναι επικίνδυνη και πρέπει να πεταχτεί αμέσως.
Αυτό δεν είναι ακριβώς ένας μύθος, αλλά μάλλον μια προφύλαξη - μια διογκωμένη μπαταρία μπορεί απλά να σκάσει. Από χημική άποψη, όλα είναι απλά: κατά τη διαδικασία παρεμβολής, τα ηλεκτρόδια και ο ηλεκτρολύτης αποσυντίθενται, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση αερίου (μπορεί επίσης να απελευθερωθεί κατά την επαναφόρτιση, αλλά περισσότερα για αυτό παρακάτω). Αλλά πολύ λίγο απελευθερώνεται και για να φαίνεται η μπαταρία διογκωμένη, πρέπει να περάσουν αρκετές εκατοντάδες (αν όχι χιλιάδες) κύκλοι επαναφόρτισης (εκτός, φυσικά, εάν είναι ελαττωματική). Δεν υπάρχουν προβλήματα με την απομάκρυνση του αερίου - απλώς τρυπήστε τη βαλβίδα (σε ορισμένες μπαταρίες ανοίγει μόνη της όταν υπάρχει υπερβολική πίεση) και αφαιρέστε την (δεν συνιστώ να αναπνέετε με αυτήν), μετά από την οποία μπορείτε να καλύψετε την τρύπα με εποξική ρητίνη. Φυσικά, αυτό δεν θα επαναφέρει την μπαταρία στην παλιά της χωρητικότητα, αλλά τουλάχιστον τώρα σίγουρα δεν θα σκάσει. - Μύθος έκτος. Η υπερφόρτιση είναι επιβλαβής για τις μπαταρίες Li-Ion.
Αλλά αυτό δεν είναι πλέον μύθος, αλλά μια σκληρή πραγματικότητα - κατά την επαναφόρτιση, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα η μπαταρία να φουσκώσει, να σκάσει και να πιάσει φωτιά - πιστέψτε με, δεν είναι ευχάριστο να πιτσιλίζετε με βραστό ηλεκτρολύτη. Επομένως, όλες οι μπαταρίες διαθέτουν ελεγκτές που απλώς εμποδίζουν τη φόρτιση της μπαταρίας πάνω από μια συγκεκριμένη τάση. Αλλά εδώ πρέπει να είστε εξαιρετικά προσεκτικοί στην επιλογή μιας μπαταρίας - οι κινεζικοί ελεγκτές χειροτεχνίας μπορεί συχνά να δυσλειτουργούν και δεν νομίζω ότι τα πυροτεχνήματα από το τηλέφωνό σας στις 3 τα ξημερώματα θα σας κάνουν χαρούμενους. Φυσικά, το ίδιο πρόβλημα υπάρχει και στις επώνυμες μπαταρίες, αλλά πρώτον, αυτό συμβαίνει πολύ λιγότερο συχνά εκεί και δεύτερον, θα αντικαταστήσουν ολόκληρο το τηλέφωνό σας υπό την εγγύηση. Αυτός ο μύθος συνήθως προκαλεί τα ακόλουθα: - Μύθος έβδομος. Όταν φτάσετε στο 100%, πρέπει να αφαιρέσετε το τηλέφωνο από τη φόρτιση.
Από τον έκτο μύθο, αυτό φαίνεται λογικό, αλλά στην πραγματικότητα δεν έχει νόημα να σηκωθείτε στη μέση της νύχτας και να αποσυνδέσετε τη συσκευή: πρώτον, οι βλάβες του ελεγκτή είναι εξαιρετικά σπάνιες και, δεύτερον, ακόμη και όταν η ένδειξη φτάσει στο 100%, Η μπαταρία εξακολουθεί να φορτίζει για κάποιο χρονικό διάστημα στα πολύ, πολύ μέγιστα χαμηλά ρεύματα, γεγονός που προσθέτει άλλο 1-3% χωρητικότητα. Έτσι, στην πραγματικότητα, δεν πρέπει να το παίζετε με ασφάλεια. - Μύθος όγδοος. Μπορείτε να φορτίσετε τη συσκευή μόνο με τον αρχικό φορτιστή.
Ο μύθος υπάρχει λόγω της κακής ποιότητας των κινεζικών φορτιστών - σε κανονική τάση 5 +- 5% βολτ μπορούν να παράγουν και 6 και 7 - ο ελεγκτής, φυσικά, θα εξομαλύνει αυτήν την τάση για κάποιο χρονικό διάστημα, αλλά στο μέλλον Στην καλύτερη περίπτωση, θα οδηγήσει σε καύση του ελεγκτή, στη χειρότερη - σε έκρηξη και (ή) αστοχία της μητρικής πλακέτας. Συμβαίνει επίσης το αντίθετο - υπό φορτίο, ο κινέζικος φορτιστής παράγει 3-4 βολτ: αυτό θα οδηγήσει στο να μην μπορεί να φορτιστεί πλήρως η μπαταρία.
Από αυτό το άρθρο θα καταλάβετε πώς να φορτίζετε σωστά μια μπαταρία Li-Ion (ιόντων λιθίου), καθώς και να μάθετε τη σωστή λειτουργία και συντήρησή της. Αυτό το είδος γνώσης θα παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας σας.
Η μπαταρία ιόντων λιθίου έχει γίνει τόσο διαδεδομένη λόγω της ευκολίας παραγωγής, του χαμηλού κόστους και του μεγάλου αριθμού κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης. Αλλά για να εκτιμήσετε αυτά τα πλεονεκτήματα, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε σωστά τη μπαταρία Li-Ion.
Οι οδηγίες λειτουργίας διαφέρουν ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας. Για παράδειγμα, οι μπαταρίες Ni-MH και Ni-Cd πρέπει να είναι πλήρως αποφορτισμένες πριν από τη φόρτιση. Διαφορετικά, τα στοιχεία γίνονται μεγαλύτερα και η ένταση της μπαταρίας μειώνεται. Ωστόσο, ο κανόνας "αγόρασα ένα τηλέφωνο - αποφορτίστε το στο μηδέν και στη συνέχεια φορτίστε το και επαναλάβετε τον κύκλο αρκετές φορές" δεν είναι καθολικός και δεν ισχύει για Li-Ion.
Επομένως, πριν εφαρμόσετε τις παρακάτω συστάσεις, ρίξτε μια ματιά στην μπαταρία σας. Θα πρέπει να πει ότι είναι ιόν λιθίου (Li-Ion). Μόνο σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιήστε τους ακόλουθους κανόνες λειτουργίας.
Μην αποφορτίζετε την μπαταρία στο μηδέν πολύ συχνά.
Δεν θα είναι ακόμα δυνατή η πλήρης αποφόρτιση της μπαταρίας. Η πλακέτα προστασίας απενεργοποιεί τη συσκευή όταν επιτευχθεί ένα ορισμένο ελάχιστο. Η πλήρης αποφόρτιση είναι δυνατή μόνο εάν αποσυναρμολογήσετε την μπαταρία και αφαιρέσετε την προστατευτική πλακέτα. Οι μπαταρίες Li-Ion και Li-Pol δεν ανέχονται συχνή πλήρη αποφόρτιση. Γι' αυτό και πωλούνται 2/3 χρεωμένα.
Τοποθετήστε τη συσκευή για φόρτιση όταν η μπαταρία έχει απομείνει 10-20%.
Ένα μήνυμα όπως «Σύνδεση του φορτιστή» εμφανίζεται όταν η φόρτιση φτάσει στο 10-20% για κάποιο λόγο. Ακολουθήστε τις συστάσεις των κατασκευαστών και συνδέστε το φορτιστή.
Αλλά δεν χρειάζεται να περιμένετε μια τέτοια πτώση. Εάν μπορείτε να φορτίσετε το τηλέφωνο ή το φορητό υπολογιστή σας, κάντε το. Η τακτική φόρτιση δεν είναι πανάκεια, αλλά όσο πιο συχνά φορτίζετε το Li-Ion σας, τόσο περισσότερο θα διαρκέσει.
Βαθμονόμηση της μπαταρίας σας περιοδικά
Η βαθμονόμηση περιλαμβάνει την πλήρη αποφόρτιση και στη συνέχεια φόρτιση της συσκευής. Δεν υπάρχει αντίφαση με τον πρώτο κανόνα: η βαθμονόμηση πρέπει να γίνεται περίπου μία φορά κάθε τρεις μήνες.
Η βαθμονόμηση δεν επεκτείνει άμεσα τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, αλλά βοηθά μόνο τον ελεγκτή να προσδιορίσει σωστά τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Εάν ο ελεγκτής προσδιορίσει λανθασμένα την ποσότητα φόρτισης, η συσκευή θα πρέπει να φορτίζεται πιο συχνά. Οι κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης σπαταλούνται και η μπαταρία αποτυγχάνει πιο γρήγορα.
Χρησιμοποιήστε γνήσιο φορτιστή
Απαιτείται πρωτοτυπία στο πλαίσιο του υπό εξέταση προβλήματος για να προστατευτείτε από τη χρήση προϊόντων χαμηλής ποιότητας. Εάν είστε βέβαιοι ότι τα τεχνικά χαρακτηριστικά της συσκευής τρίτου κατασκευαστή αντιστοιχούν στα χαρακτηριστικά του αρχικού φορτιστή, τότε δεν θα προκύψουν προβλήματα.
Προσπαθήστε να μην χρησιμοποιείτε "βατράχους"
Εάν είναι δυνατόν, αποφύγετε τη φόρτιση των μπαταριών χρησιμοποιώντας ένα βάτραχο. Η χρήση μη πιστοποιημένων συσκευών δεν είναι ασφαλής· υπάρχουν περιπτώσεις όπου οι «βάτραχοι» αναφλέγονται κατά τη φόρτιση.
Επιτρεπόμενα εύρη θερμοκρασίας για φόρτιση και εκφόρτιση μπαταριών ιόντων λιθίου
Δοκιμαστικά χαρακτηριστικά
Οι δοκιμές για τον αριθμό των κύκλων πραγματοποιήθηκαν με ρεύμα εκφόρτισης 1C· για κάθε μπαταρία, πραγματοποιήθηκαν κύκλοι εκφόρτισης/φόρτισης έως ότου επιτευχθεί το 80% της χωρητικότητας. Αυτός ο αριθμός επιλέχθηκε με βάση το χρονοδιάγραμμα της δοκιμής και για πιθανή σύγκριση των αποτελεσμάτων αργότερα. Ο αριθμός των πλήρους ισοδύναμων κύκλων είναι έως και 7500 σε ορισμένες δοκιμές.Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ζωής σε διάφορα επίπεδα φόρτισης και θερμοκρασίες, μετρήσεις τάσης γίνονταν κάθε 40-50 ημέρες για την παρακολούθηση της εκφόρτισης, η διάρκεια της δοκιμής ήταν 400-500 ημέρες.
Η κύρια δυσκολία στα πειράματα είναι η ασυμφωνία μεταξύ της δηλωμένης χωρητικότητας και της πραγματικής. Όλες οι μπαταρίες έχουν χωρητικότητα μεγαλύτερη από την αναφερόμενη, που κυμαίνεται από 0,1% έως 5%, γεγονός που εισάγει ένα πρόσθετο στοιχείο απρόβλεπτου.
Οι μπαταρίες NCA και NMC χρησιμοποιήθηκαν συχνότερα, αλλά δοκιμάστηκαν επίσης μπαταρίες λιθίου κοβαλτίου και φωσφορικού λιθίου.
Μερικοί όροι:
DoD - Βάθος εκκένωσης - βάθος εκφόρτισης.
SoC - State of Charge - επίπεδο χρέωσης.
Χρήση μπαταριών
Ο αριθμός των κύκλων
Προς το παρόν, υπάρχει μια θεωρία ότι η εξάρτηση του αριθμού των κύκλων που μπορεί να αντέξει μια μπαταρία από τον βαθμό αποφόρτισης της μπαταρίας στον κύκλο έχει την ακόλουθη μορφή (οι κύκλοι εκφόρτισης υποδεικνύονται με μπλε χρώμα, οι ισοδύναμοι πλήρεις κύκλοι υποδεικνύονται στο μαύρος):Αυτή η καμπύλη ονομάζεται καμπύλη Wöhler. Η κύρια ιδέα προήλθε από τη μηχανική σχετικά με την εξάρτηση του αριθμού των τεντωμάτων ενός ελατηρίου από το βαθμό τάνυσης. Η αρχική τιμή των 3000 κύκλων σε 100% εκφόρτιση μπαταρίας είναι ένας σταθμισμένος μέσος όρος σε εκφόρτιση 0,1 C. Κάποιες μπαταρίες δείχνουν καλύτερα αποτελέσματα, άλλες χειρότερα. Σε ρεύμα 1C, ο αριθμός των πλήρων κύκλων σε 100% εκφόρτιση πέφτει από 3000 σε 1000-1500, ανάλογα με τον κατασκευαστή.
Σε γενικές γραμμές, αυτή η σχέση, που παρουσιάζεται στα γραφήματα, επιβεβαιώθηκε από τα αποτελέσματα των πειραμάτων, επειδή Συνιστάται να φορτίζετε την μπαταρία όποτε είναι δυνατόν.
Υπολογισμός υπέρθεσης κύκλων
Όταν χρησιμοποιείτε μπαταρίες, είναι δυνατό να λειτουργήσετε με δύο κύκλους ταυτόχρονα (για παράδειγμα, αναγεννητικό φρενάρισμα σε αυτοκίνητο):
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον ακόλουθο συνδυασμένο κύκλο:
Τίθεται το ερώτημα, πώς αυτό επηρεάζει τη λειτουργία της μπαταρίας, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μειώνεται σημαντικά;
Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων, ο συνδυασμένος κύκλος έδειξε αποτελέσματα παρόμοια με την προσθήκη πλήρων ισοδύναμων κύκλων δύο ανεξάρτητων κύκλων. Εκείνοι. Η σχετική χωρητικότητα της μπαταρίας στον συνδυασμένο κύκλο μειώθηκε ανάλογα με το άθροισμα των εκφορτίσεων στους μικρούς και μεγάλους κύκλους (το γραμμικό γράφημα παρουσιάζεται παρακάτω). 
Η επίδραση των μεγάλων κύκλων εκφόρτισης είναι πιο σημαντική, πράγμα που σημαίνει ότι είναι καλύτερο να φορτίζετε την μπαταρία με κάθε ευκαιρία.
Εφέ μνήμης
Το φαινόμενο μνήμης των μπαταριών ιόντων λιθίου δεν σημειώθηκε σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα. Κάτω από διάφορους τρόπους λειτουργίας, η συνολική χωρητικότητά του δεν άλλαξε στη συνέχεια. Ταυτόχρονα, υπάρχει μια σειρά από μελέτες που επιβεβαιώνουν την παρουσία αυτής της επίδρασης σε μπαταρίες φωσφορικού λιθίου και τιτανίου λιθίου.Αποθήκευση μπαταρίας
Θερμοκρασίες αποθήκευσης
Δεν έγιναν ασυνήθιστες ανακαλύψεις εδώ. Θερμοκρασίες Οι 20-25°C είναι οι βέλτιστες (στην κανονική διάρκεια ζωής) για αποθήκευση μπαταρίας, εάν δεν χρησιμοποιείται. Όταν αποθηκεύετε μια μπαταρία σε θερμοκρασία 50°C, η υποβάθμιση της χωρητικότητας συμβαίνει σχεδόν 6 φορές πιο γρήγορα.Φυσικά, οι χαμηλότερες θερμοκρασίες είναι καλύτερες για αποθήκευση, αλλά στην καθημερινή ζωή αυτό σημαίνει ειδική ψύξη. Δεδομένου ότι η θερμοκρασία του αέρα στο διαμέρισμα είναι συνήθως 20-25°C, η αποθήκευση θα είναι πιθανότατα σε αυτήν τη θερμοκρασία.
Επίπεδο φόρτισης
Όπως έδειξαν οι δοκιμές, όσο χαμηλότερη είναι η φόρτιση, τόσο πιο αργή είναι η αυτοεκφόρτιση της μπαταρίας. Μετρήθηκε η χωρητικότητα της μπαταρίας, ποια θα ήταν κατά την περαιτέρω χρήση της μετά από μακροχρόνια αποθήκευση. Τα καλύτερα αποτελέσματα έδειξαν οι μπαταρίες που αποθηκεύτηκαν με φόρτιση κοντά στο μηδέν.Γενικά, καλά αποτελέσματα έδειξαν οι μπαταρίες που αποθηκεύτηκαν με επίπεδο φόρτισης που δεν ξεπερνούσε το 60% στην αρχή της αποθήκευσης. Οι αριθμοί διαφέρουν από τους παρακάτω για φόρτιση 100% προς το χειρότερο (δηλαδή η μπαταρία θα αχρηστευτεί νωρίτερα από ό,τι φαίνεται στο σχήμα):
Σχήμα από το άρθρο 5 πρακτικές συμβουλές για τη χρήση μπαταριών ιόντων λιθίου
Ταυτόχρονα, τα στοιχεία για τη μικρή χρέωση είναι πιο αισιόδοξα (94% μετά από ένα χρόνο στους 40°C για αποθήκευση σε 40% SOC).
Δεδομένου ότι η χρέωση 10% δεν είναι πρακτική, καθώς ο χρόνος λειτουργίας σε αυτό το επίπεδο είναι πολύ μικρός, Είναι βέλτιστο να αποθηκεύετε τις μπαταρίες σε SOC 60%, το οποίο θα σας επιτρέψει να το χρησιμοποιήσετε ανά πάσα στιγμή και δεν θα επηρεάσει κρίσιμα τη διάρκεια ζωής του.
Κύρια προβλήματα των πειραματικών αποτελεσμάτων
Κανείς δεν έχει πραγματοποιήσει δοκιμές που μπορούν να θεωρηθούν 100% αξιόπιστες. Το δείγμα, κατά κανόνα, δεν υπερβαίνει τις μερικές χιλιάδες μπαταρίες από τα εκατομμύρια που παράγονται. Οι περισσότεροι ερευνητές δεν είναι σε θέση να παράσχουν αξιόπιστες συγκριτικές αναλύσεις λόγω ανεπαρκούς δειγματοληψίας. Επίσης, τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων είναι συχνά εμπιστευτικές πληροφορίες. Επομένως, αυτές οι συστάσεις δεν ισχύουν απαραίτητα για την μπαταρία σας, αλλά μπορούν να θεωρηθούν βέλτιστες.Αποτελέσματα των πειραμάτων
Βέλτιστη συχνότητα φόρτισης - σε κάθε ευκαιρία.Οι βέλτιστες συνθήκες αποθήκευσης είναι 20-25°C με φόρτιση μπαταρίας 60%.
Πηγές
1. Μάθημα “Battery Storage Systems”, RWTH Aachen, Prof. Ο Δρ. rer. nat. Dirk Uwe SauerΤο αυξανόμενο ενδιαφέρον των καταναλωτών για φορητές συσκευές και τεχνολογικά προηγμένο φορητό εξοπλισμό γενικά αναγκάζει τους κατασκευαστές να βελτιώσουν τα προϊόντα τους προς διάφορες κατευθύνσεις. Ταυτόχρονα, υπάρχει μια σειρά από γενικές παραμέτρους, οι εργασίες στις οποίες εκτελούνται προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτές περιλαμβάνουν τη μέθοδο παροχής ενέργειας. Μόλις πριν από λίγα χρόνια, οι ενεργοί συμμετέχοντες στην αγορά μπορούσαν να παρατηρήσουν τη διαδικασία μετατόπισης από πιο προηγμένα στοιχεία προέλευσης νικελίου-υδριδίου μετάλλου (NiMH). Σήμερα, νέες γενιές μπαταριών ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Η ευρεία χρήση της τεχνολογίας ιόντων λιθίου σε ορισμένα τμήματα αντικαθίσταται με επιτυχία από την μπαταρία λιθίου-πολυμερούς. Η διαφορά από το ιοντικό στη νέα μονάδα δεν είναι τόσο αισθητή για τον μέσο χρήστη, αλλά από ορισμένες απόψεις είναι σημαντική. Ταυτόχρονα, όπως και στην περίπτωση του ανταγωνισμού μεταξύ στοιχείων NiCd και NiMH, η τεχνολογία αντικατάστασης απέχει πολύ από το να είναι άψογη και από ορισμένες απόψεις είναι κατώτερη από την ανάλογή της.
Συσκευή μπαταρίας Li-ion
Τα πρώτα μοντέλα σειριακών μπαταριών με βάση το λίθιο άρχισαν να εμφανίζονται στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Ωστόσο, το κοβάλτιο και το μαγγάνιο χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια ως ενεργός ηλεκτρολύτης. Στα σύγχρονα δεν είναι τόσο σημαντική η ουσία, αλλά η διαμόρφωση της τοποθέτησής της στο μπλοκ. Τέτοιες μπαταρίες αποτελούνται από ηλεκτρόδια που χωρίζονται από έναν διαχωριστή με πόρους. Η μάζα του διαχωριστή, με τη σειρά της, είναι εμποτισμένη με ηλεκτρολύτη. Όσον αφορά τα ηλεκτρόδια, αντιπροσωπεύονται από μια βάση καθόδου σε φύλλο αλουμινίου και μια άνοδο χαλκού. Μέσα στο μπλοκ συνδέονται μεταξύ τους με ακροδέκτες συλλέκτη ρεύματος. Η συντήρηση της φόρτισης πραγματοποιείται από το θετικό φορτίο του ιόντος λιθίου. Αυτό το υλικό είναι πλεονεκτικό στο ότι έχει την ικανότητα να διεισδύει εύκολα στα κρυσταλλικά πλέγματα άλλων ουσιών, σχηματίζοντας χημικούς δεσμούς. Ωστόσο, οι θετικές ιδιότητες τέτοιων μπαταριών αποδεικνύονται όλο και περισσότερο ανεπαρκείς για σύγχρονες εργασίες, γεγονός που οδήγησε στην εμφάνιση κυψελών Li-pol, που έχουν πολλά χαρακτηριστικά. Γενικά, αξίζει να σημειωθεί η ομοιότητα των τροφοδοτικών ιόντων λιθίου με μπαταρίες ηλίου πλήρους μεγέθους για αυτοκίνητα. Και στις δύο περιπτώσεις, οι μπαταρίες έχουν σχεδιαστεί για να είναι πρακτικά πρακτικές στη χρήση. Εν μέρει, αυτή η κατεύθυνση ανάπτυξης συνεχίστηκε από πολυμερή στοιχεία.
Σχέδιο μπαταρίας πολυμερούς λιθίου
Η ώθηση για τη βελτίωση των μπαταριών λιθίου ήταν η ανάγκη να καταπολεμηθούν δύο ελλείψεις των υπαρχουσών μπαταριών ιόντων λιθίου. Πρώτον, δεν είναι ασφαλή στη χρήση και, δεύτερον, είναι αρκετά ακριβά. Οι τεχνολόγοι αποφάσισαν να απαλλαγούν από αυτά τα μειονεκτήματα αλλάζοντας τον ηλεκτρολύτη. Ως αποτέλεσμα, ο εμποτισμένος πορώδης διαχωριστής αντικαταστάθηκε από έναν πολυμερή ηλεκτρολύτη. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το πολυμερές έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για ηλεκτρικές ανάγκες ως πλαστικό φιλμ που μεταφέρει ρεύμα. Σε μια σύγχρονη μπαταρία, το πάχος του στοιχείου Li-pol φτάνει το 1 mm, το οποίο επίσης αφαιρεί τους περιορισμούς στη χρήση διαφόρων σχημάτων και μεγεθών από τους προγραμματιστές. Αλλά το κύριο πράγμα είναι η απουσία υγρού ηλεκτρολύτη, ο οποίος εξαλείφει τον κίνδυνο ανάφλεξης. Τώρα αξίζει να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στις διαφορές από τα κύτταρα ιόντων λιθίου.
Ποια είναι η κύρια διαφορά από μια μπαταρία ιόντων;
Η θεμελιώδης διαφορά είναι η εγκατάλειψη του ηλίου και των υγρών ηλεκτρολυτών. Για μια πληρέστερη κατανόηση αυτής της διαφοράς, αξίζει να στραφούμε σε σύγχρονα μοντέλα μπαταριών αυτοκινήτων. Η ανάγκη αντικατάστασης του υγρού ηλεκτρολύτη οφειλόταν, πάλι, σε συμφέροντα ασφαλείας. Αλλά εάν στην περίπτωση των μπαταριών αυτοκινήτων η πρόοδος σταμάτησε στους ίδιους πορώδεις ηλεκτρολύτες με εμποτισμό, τότε τα μοντέλα λιθίου έλαβαν μια πλήρη στερεά βάση. Τι είναι τόσο καλό για μια μπαταρία πολυμερούς λιθίου στερεάς κατάστασης; Η διαφορά από την ιοντική είναι ότι η δραστική ουσία με τη μορφή πλάκας στη ζώνη επαφής με το λίθιο εμποδίζει το σχηματισμό δενδριτών κατά την ανακύκλωση. Αυτός ο παράγοντας εξαλείφει την πιθανότητα εκρήξεων και πυρκαγιών τέτοιων μπαταριών. Αυτό αφορά μόνο τα πλεονεκτήματα, αλλά υπάρχουν και αδυναμίες στις νέες μπαταρίες.
Διάρκεια μπαταρίας πολυμερούς λιθίου
Κατά μέσο όρο, τέτοιες μπαταρίες μπορούν να αντέξουν περίπου 800-900 κύκλους φόρτισης. Αυτός ο δείκτης είναι μέτριος σε σύγκριση με τα σύγχρονα ανάλογα, αλλά ούτε αυτός ο παράγοντας μπορεί να θεωρηθεί ότι καθορίζει τον πόρο ενός στοιχείου. Το γεγονός είναι ότι τέτοιες μπαταρίες υπόκεινται σε εντατική γήρανση, ανεξάρτητα από τη φύση της χρήσης. Δηλαδή, ακόμα κι αν η μπαταρία δεν χρησιμοποιηθεί καθόλου, η διάρκεια ζωής της θα μειωθεί. Δεν έχει σημασία αν είναι μπαταρία ιόντων λιθίου ή κυψέλη λιθίου-πολυμερούς. Όλα τα τροφοδοτικά με βάση το λίθιο χαρακτηρίζονται από αυτή τη διαδικασία. Σημαντική απώλεια όγκου μπορεί να παρατηρηθεί εντός ενός έτους μετά την απόκτηση. Μετά από 2-3 χρόνια, ορισμένες μπαταρίες αποτυγχάνουν εντελώς. Αλλά πολλά εξαρτώνται από τον κατασκευαστή, αφού εντός της κατηγορίας υπάρχουν και διαφορές στην ποιότητα της μπαταρίας. Παρόμοια προβλήματα παρουσιάζονται με τα κύτταρα NiMH, τα οποία υπόκεινται σε γήρανση λόγω απότομων διακυμάνσεων της θερμοκρασίας.
Ελαττώματα
Εκτός από τα προβλήματα με την ταχεία γήρανση, τέτοιες μπαταρίες απαιτούν πρόσθετο σύστημα προστασίας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η εσωτερική ένταση σε διαφορετικές περιοχές μπορεί να οδηγήσει σε εξάντληση. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ένα ειδικό κύκλωμα σταθεροποίησης για την αποφυγή υπερθέρμανσης και υπερφόρτισης. Αυτό το ίδιο σύστημα συνεπάγεται και άλλα μειονεκτήματα. Το κυριότερο είναι ο τρέχων περιορισμός. Αλλά, από την άλλη πλευρά, πρόσθετα προστατευτικά κυκλώματα καθιστούν την μπαταρία πολυμερούς λιθίου ασφαλέστερη. Υπάρχει επίσης διαφορά από το ιοντικό ως προς το κόστος. Οι μπαταρίες πολυμερών είναι φθηνότερες, αλλά όχι πολύ. Η τιμή τους αυξάνεται επίσης λόγω της εισαγωγής ηλεκτρονικών κυκλωμάτων προστασίας.
Λειτουργικά χαρακτηριστικά τροποποιήσεων που μοιάζουν με gel
Προκειμένου να αυξηθεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα, οι τεχνολόγοι εξακολουθούν να προσθέτουν έναν ηλεκτρολύτη που μοιάζει με γέλη στα πολυμερή στοιχεία. Δεν γίνεται λόγος για πλήρη μετάβαση σε τέτοιες ουσίες, καθώς αυτό έρχεται σε αντίθεση με την έννοια αυτής της τεχνολογίας. Αλλά στη φορητή τεχνολογία, χρησιμοποιούνται συχνά υβριδικές μπαταρίες. Η ιδιαιτερότητά τους είναι η ευαισθησία στη θερμοκρασία. Οι κατασκευαστές συνιστούν τη χρήση αυτών των μοντέλων μπαταριών σε συνθήκες που κυμαίνονται από 60 °C έως 100 °C. Αυτή η απαίτηση καθόρισε επίσης μια ειδική θέση εφαρμογής. Τα μοντέλα τύπου gel μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε μέρη με ζεστό κλίμα, για να μην αναφέρουμε την ανάγκη βύθισης σε θερμομονωμένη θήκη. Ωστόσο, το ερώτημα ποια μπαταρία να επιλέξετε - Li-pol ή Li-ion - δεν είναι τόσο πιεστικό στις επιχειρήσεις. Όπου η θερμοκρασία έχει ιδιαίτερη επίδραση, χρησιμοποιούνται συχνά συνδυασμένα διαλύματα. Σε τέτοιες περιπτώσεις, τα πολυμερή στοιχεία χρησιμοποιούνται συνήθως ως εφεδρικά στοιχεία.
Βέλτιστη μέθοδος φόρτισης
Ο συνήθης χρόνος επαναφόρτισης των μπαταριών λιθίου είναι κατά μέσο όρο 3 ώρες.Επιπλέον, κατά τη διαδικασία φόρτισης η μονάδα παραμένει κρύα. Η πλήρωση γίνεται σε δύο στάδια. Στην πρώτη, η τάση φτάνει τις μέγιστες τιμές και αυτή η λειτουργία διατηρείται μέχρι να φτάσει το 70%. Το υπόλοιπο 30% κερδίζεται υπό κανονικές συνθήκες στρες. Μια άλλη ενδιαφέρουσα ερώτηση είναι πώς να φορτίσετε μια μπαταρία λιθίου-πολυμερούς εάν χρειάζεται να διατηρείτε συνεχώς την πλήρη χωρητικότητά της; Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να ακολουθήσετε το πρόγραμμα επαναφόρτισης. Συνιστάται η διεξαγωγή αυτής της διαδικασίας περίπου κάθε 500 ώρες λειτουργίας με πλήρη αποφόρτιση.
Προληπτικά μέτρα
Κατά τη λειτουργία, θα πρέπει να χρησιμοποιείτε μόνο φορτιστή που πληροί τις προδιαγραφές, συνδέοντάς τον σε δίκτυο με σταθερή τάση. Είναι επίσης απαραίτητο να ελέγξετε την κατάσταση των βυσμάτων ώστε να μην ανοίγει η μπαταρία. Είναι σημαντικό να λάβετε υπόψη ότι, παρά τον υψηλό βαθμό ασφάλειας, εξακολουθεί να είναι ένας τύπος μπαταρίας ευαίσθητος στην υπερφόρτωση. Η κυψέλη λιθίου-πολυμερούς δεν ανέχεται υπερβολικό ρεύμα, υπερβολική ψύξη του εξωτερικού περιβάλλοντος και μηχανικό σοκ. Ωστόσο, σύμφωνα με όλους αυτούς τους δείκτες, τα μπλοκ πολυμερών εξακολουθούν να είναι πιο αξιόπιστα από τα ιόντα λιθίου. Ωστόσο, η κύρια πτυχή της ασφάλειας έγκειται στην αβλαβή των τροφοδοτικών στερεάς κατάστασης - φυσικά, υπό την προϋπόθεση ότι διατηρούνται σφραγισμένα.
Ποια μπαταρία είναι καλύτερη - Li-pol ή Li-ion;
Αυτό το ζήτημα καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες λειτουργίας και τη στοχευόμενη εγκατάσταση παροχής ενέργειας. Τα κύρια οφέλη των πολυμερών συσκευών είναι πιο πιθανό να γίνουν αισθητά από τους ίδιους τους κατασκευαστές, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιούν πιο ελεύθερα τις νέες τεχνολογίες. Για τον χρήστη, η διαφορά θα είναι ελάχιστα αισθητή. Για παράδειγμα, στο ερώτημα πώς να φορτίσετε μια μπαταρία πολυμερούς λιθίου, ο ιδιοκτήτης θα πρέπει να δώσει μεγαλύτερη προσοχή στην ποιότητα της τροφοδοσίας. Όσον αφορά τον χρόνο φόρτισης, πρόκειται για πανομοιότυπα στοιχεία. Όσον αφορά την ανθεκτικότητα, η κατάσταση σε αυτήν την παράμετρο είναι επίσης διφορούμενη. Το φαινόμενο γήρανσης χαρακτηρίζει τα πολυμερή στοιχεία σε μεγαλύτερο βαθμό, αλλά η πρακτική δείχνει διαφορετικά παραδείγματα. Για παράδειγμα, υπάρχουν κριτικές σχετικά με τα κύτταρα ιόντων λιθίου που γίνονται άχρηστα μετά από μόλις ένα χρόνο χρήσης. Και τα πολυμερή σε ορισμένες συσκευές χρησιμοποιούνται για 6-7 χρόνια.
συμπέρασμα
Υπάρχουν ακόμα πολλοί μύθοι και ψευδείς απόψεις σχετικά με τις μπαταρίες που σχετίζονται με διάφορες αποχρώσεις λειτουργίας. Αντίθετα, ορισμένες λειτουργίες της μπαταρίας αποσιωπούνται από τους κατασκευαστές. Όσο για τους μύθους, έναν από αυτούς διαψεύδει η μπαταρία πολυμερούς λιθίου. Η διαφορά από το ιοντικό ανάλογο είναι ότι τα πολυμερή μοντέλα αντιμετωπίζουν λιγότερη εσωτερική καταπόνηση. Για το λόγο αυτό, οι συνεδρίες φόρτισης για μπαταρίες που δεν έχουν ακόμη εξαντληθεί δεν έχουν επιβλαβή επίδραση στα χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων. Αν μιλάμε για τα γεγονότα που κρύβονται από τους κατασκευαστές, τότε ένα από αυτά αφορά την ανθεκτικότητα. Όπως ήδη αναφέρθηκε, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας χαρακτηρίζεται όχι μόνο από ένα μέτριο ρυθμό κύκλων φόρτισης, αλλά και από την αναπόφευκτη απώλεια του χρήσιμου όγκου της μπαταρίας.
Λειτουργία, φόρτιση, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μπαταριών λιθίου
Πολλοί άνθρωποι σήμερα χρησιμοποιούν ηλεκτρονικές συσκευές στην καθημερινή τους ζωή. Κινητά τηλέφωνα, tablet, laptop... Όλοι ξέρουν τι είναι. Λίγοι όμως γνωρίζουν ότι το βασικό στοιχείο αυτών των συσκευών είναι η μπαταρία λιθίου. Σχεδόν κάθε φορητή συσκευή είναι εξοπλισμένη με αυτόν τον τύπο μπαταρίας. Σήμερα θα μιλήσουμε για μπαταρίες λιθίου. Αυτές οι μπαταρίες και η τεχνολογία παραγωγής τους εξελίσσονται συνεχώς. Σημαντικές ενημερώσεις τεχνολογίας γίνονται κάθε 1-2 χρόνια. Θα εξετάσουμε τη γενική αρχή λειτουργίας των μπαταριών λιθίου και ξεχωριστά υλικά θα αφιερωθούν στις ποικιλίες. Παρακάτω θα συζητήσουμε την ιστορία, τη λειτουργία, την αποθήκευση, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μπαταριών λιθίου.
Η έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση έγινε στις αρχές του 20ού αιώνα. Τα «πρώτα χελιδόνια» στην οικογένεια των μπαταριών λιθίου εμφανίστηκαν στις αρχές της δεκαετίας του εβδομήντα του περασμένου αιώνα. Η άνοδος αυτών των μπαταριών ήταν κατασκευασμένη από λίθιο. Γρήγορα έγιναν σε ζήτηση λόγω της υψηλής ειδικής ενέργειάς τους. Χάρη στην παρουσία λιθίου, ενός πολύ ενεργού αναγωγικού παράγοντα, οι προγραμματιστές μπόρεσαν να αυξήσουν σημαντικά την ονομαστική τάση και την ειδική ενέργεια του στοιχείου. Η ανάπτυξη, οι επακόλουθες δοκιμές και η τελειοποίηση της τεχνολογίας διήρκεσαν περίπου δύο δεκαετίες.
Σε αυτό το διάστημα επιλύθηκαν κυρίως ζητήματα με την ασφάλεια χρήσης μπαταριών λιθίου, την επιλογή υλικών κ.λπ. Οι δευτερεύουσες κυψέλες λιθίου με απρωτικούς ηλεκτρολύτες και η ποικιλία με στερεά κάθοδο είναι παρόμοιες στις ηλεκτροχημικές διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτές. Συγκεκριμένα, η ανοδική διάλυση του λιθίου συμβαίνει στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Το λίθιο εισάγεται στο κρυσταλλικό πλέγμα του θετικού ηλεκτροδίου. Όταν η μπαταρία φορτίζεται, οι διαδικασίες στα ηλεκτρόδια πηγαίνουν προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Τα υλικά για το θετικό ηλεκτρόδιο αναπτύχθηκαν αρκετά γρήγορα. Η βασική απαίτηση για αυτούς ήταν να υποβληθούν σε αναστρέψιμες διεργασίες.
Μιλάμε για ανοδική εξαγωγή και καθοδική εισαγωγή. Αυτές οι διαδικασίες ονομάζονται επίσης ανοδική αποσυμπίεση και καθοδική παρεμβολή. Οι ερευνητές εξέτασαν διάφορα υλικά ως κάθοδος.
Η απαίτηση ήταν να μην υπάρχουν αλλαγές κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Ειδικότερα, μελετήθηκαν τα ακόλουθα υλικά:
- TiS2 (δισουλφίδιο τιτανίου);
- Nb(Se)n (σεληνιούχο νιόβιο);
- θειούχα και δισελενίδια βαναδίου.
- σουλφίδια χαλκού και σιδήρου.
Όλα τα υλικά που παρατίθενται έχουν δομή σε στρώσεις. Έρευνα έγινε και με υλικά πιο πολύπλοκων συνθέσεων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν πρόσθετα ορισμένων μετάλλων σε μικρές ποσότητες. Αυτά ήταν στοιχεία με κατιόντα μεγαλύτερης ακτίνας από το Li.
Υψηλά ειδικά χαρακτηριστικά καθόδου ελήφθησαν χρησιμοποιώντας οξείδια μετάλλων. Δοκιμάστηκαν διάφορα οξείδια για αναστρέψιμη απόδοση, η οποία εξαρτάται από τον βαθμό παραμόρφωσης του κρυσταλλικού πλέγματος του υλικού οξειδίου όταν εισάγονται κατιόντα λιθίου εκεί. Επίσης ελήφθη υπόψη η ηλεκτρονική αγωγιμότητα της καθόδου. Ο στόχος ήταν να διασφαλιστεί ότι ο όγκος της καθόδου δεν αλλάζει περισσότερο από 20 τοις εκατό.Σύμφωνα με έρευνες, τα οξείδια του βαναδίου και του μολυβδαινίου έδειξαν τα καλύτερα αποτελέσματα.
Η άνοδος ήταν η κύρια δυσκολία στη δημιουργία μπαταριών λιθίου. Πιο συγκεκριμένα, κατά τη διαδικασία φόρτισης, όταν συμβαίνει καθοδική εναπόθεση του Li. Αυτό δημιουργεί μια επιφάνεια με πολύ υψηλή δραστηριότητα. Το λίθιο εναποτίθεται στην επιφάνεια της καθόδου με τη μορφή δενδριτών και ως αποτέλεσμα σχηματίζεται ένα παθητικό φιλμ.
Αποδεικνύεται ότι αυτή η μεμβράνη περιβάλλει τα σωματίδια λιθίου και εμποδίζει την επαφή τους με τη βάση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ενθυλάκωση και έχει ως αποτέλεσμα το γεγονός ότι μετά τη φόρτιση της μπαταρίας, ένα συγκεκριμένο μέρος του λιθίου αποκλείεται από τις ηλεκτροχημικές διεργασίες.
Ως αποτέλεσμα, μετά από έναν ορισμένο αριθμό κύκλων, τα ηλεκτρόδια φθαρούν και η σταθερότητα θερμοκρασίας των διεργασιών μέσα στην μπαταρία λιθίου διαταράσσεται.
Σε κάποιο σημείο, το στοιχείο θερμάνθηκε μέχρι το σημείο τήξης του Li και η αντίδραση εισήλθε σε ανεξέλεγκτη φάση. Έτσι, στις αρχές της δεκαετίας του '90, πολλές μπαταρίες λιθίου επέστρεψαν στις επιχειρήσεις των εταιρειών που εμπλέκονται στην παραγωγή τους. Αυτές ήταν από τις πρώτες μπαταρίες που χρησιμοποιήθηκαν σε κινητά τηλέφωνα. Τη στιγμή που μιλάμε (το ρεύμα φτάνει στη μέγιστη τιμή του) στο τηλέφωνο, μια φλόγα ξέσπασε από αυτές τις μπαταρίες. Υπήρξαν πολλές περιπτώσεις που κάηκε το πρόσωπο του χρήστη. Ο σχηματισμός δενδριτών κατά την εναπόθεση λιθίου, εκτός από τον κίνδυνο πυρκαγιάς και έκρηξης, μπορεί να οδηγήσει σε βραχυκύκλωμα.
Ως εκ τούτου, οι ερευνητές έχουν ξοδέψει πολύ χρόνο και προσπάθεια για την ανάπτυξη μιας μεθόδου επιφανειακής επεξεργασίας καθόδου. Έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι για την εισαγωγή πρόσθετων στον ηλεκτρολύτη που εμποδίζουν το σχηματισμό δενδριτών. Οι επιστήμονες έχουν σημειώσει πρόοδο προς αυτή την κατεύθυνση, αλλά το πρόβλημα δεν έχει ακόμη λυθεί πλήρως. Προσπάθησαν να λύσουν αυτά τα προβλήματα χρησιμοποιώντας μέταλλο λιθίου χρησιμοποιώντας μια άλλη μέθοδο.
Έτσι, το αρνητικό ηλεκτρόδιο άρχισε να κατασκευάζεται από κράματα λιθίου και όχι από καθαρό Li. Το πιο επιτυχημένο ήταν το κράμα λιθίου και αλουμινίου. Όταν συμβεί η διαδικασία εκφόρτισης, το λίθιο χαράσσεται από το ηλεκτρόδιο από ένα τέτοιο κράμα και αντίστροφα κατά τη φόρτιση. Δηλαδή, κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης, η συγκέντρωση του Li στο κράμα αλλάζει. Φυσικά, υπήρξε κάποια απώλεια δραστηριότητας λιθίου στο κράμα σε σύγκριση με το μεταλλικό Li.
Το δυναμικό του ηλεκτροδίου κράματος μειώθηκε κατά περίπου 0,2─0,4 βολτ. Η τάση λειτουργίας της μπαταρίας λιθίου έχει μειωθεί και ταυτόχρονα έχει μειωθεί η αλληλεπίδραση μεταξύ του ηλεκτρολύτη και του κράματος. Αυτό έγινε θετικός παράγοντας, αφού μειώθηκε η αυτο-απαλλαγή. Αλλά το κράμα λιθίου και αλουμινίου δεν χρησιμοποιείται ευρέως. Το πρόβλημα εδώ ήταν ότι ο συγκεκριμένος όγκος αυτού του κράματος άλλαξε πολύ κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Όταν εμφανίστηκε βαθιά εκκένωση, το ηλεκτρόδιο έγινε εύθραυστο και θρυμματίστηκε. Λόγω μείωσης των ειδικών χαρακτηριστικών του κράματος, η έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση σταμάτησε. Μελετήθηκαν επίσης και άλλα κράματα.
Έρευνες έχουν δείξει ότι το κράμα Li με βαρέα μέταλλα είναι η καλύτερη επιλογή. Ένα παράδειγμα είναι το κράμα του Wood. Είχαν καλή απόδοση όσον αφορά τη διατήρηση του συγκεκριμένου όγκου, αλλά τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ήταν ανεπαρκή για χρήση σε μπαταρίες λιθίου.
Ως αποτέλεσμα, επειδή το μέταλλο λιθίου είναι ασταθές, η έρευνα άρχισε να πηγαίνει σε διαφορετική κατεύθυνση. Αποφασίστηκε να αποκλειστεί το καθαρό λίθιο από τα εξαρτήματα της μπαταρίας και να χρησιμοποιηθούν τα ιόντα του. Έτσι εμφανίστηκαν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-Ion).
Η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι μικρότερη από αυτή των μπαταριών λιθίου. Αλλά η ασφάλεια και η ευκολία χρήσης τους είναι πολύ υψηλότερες. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτό στον συγκεκριμένο σύνδεσμο.
Λειτουργία και διάρκεια ζωής
Εκμετάλλευση
Οι κανόνες λειτουργίας θα συζητηθούν χρησιμοποιώντας το παράδειγμα κοινών μπαταριών λιθίου που χρησιμοποιούνται σε κινητές συσκευές (τηλέφωνα, tablet, φορητοί υπολογιστές). Στις περισσότερες περιπτώσεις, τέτοιες μπαταρίες προστατεύονται από τον "ανόητο" από τον ενσωματωμένο ελεγκτή. Είναι όμως χρήσιμο για τον χρήστη να γνωρίζει βασικά πράγματα για το σχεδιασμό, τις παραμέτρους και τη λειτουργία των μπαταριών λιθίου.
Αρχικά, να θυμάστε ότι μια μπαταρία λιθίου πρέπει να έχει τάση 2,7 έως 4,2 βολτ. Η κάτω τιμή εδώ υποδηλώνει το ελάχιστο επίπεδο φόρτισης, η ανώτερη το μέγιστο. Στις σύγχρονες μπαταρίες Li, τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από γραφίτη και στην περίπτωσή τους το κατώτερο όριο τάσης είναι 3 βολτ (2,7 είναι η τιμή για τα ηλεκτρόδια οπτάνθρακα). Η ηλεκτρική ενέργεια που εκπέμπει μια μπαταρία όταν η τάση πέφτει από το ανώτερο όριο στο κατώτερο όριο ονομάζεται χωρητικότητά της.
Για να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής των μπαταριών λιθίου, οι κατασκευαστές περιορίζουν ελαφρώς το εύρος τάσης. Συχνά αυτό είναι 3,3─4,1 βολτ. Όπως δείχνει η πρακτική, η μέγιστη διάρκεια ζωής των μπαταριών λιθίου επιτυγχάνεται σε επίπεδο φόρτισης 45 τοις εκατό. Εάν η μπαταρία είναι υπερβολικά φορτισμένη ή υπερφορτισμένη, η διάρκεια ζωής της θα μειωθεί. Συνήθως συνιστάται η φόρτιση μιας μπαταρίας λιθίου με φόρτιση 15-20%. Και πρέπει να σταματήσετε τη φόρτιση αμέσως αφού φτάσετε στο 100% της χωρητικότητας.
Αλλά, όπως ήδη αναφέρθηκε, ο ελεγκτής σώζει την μπαταρία από υπερφόρτιση και βαθιά εκφόρτιση. Αυτή η πλακέτα ελέγχου με μικροκύκλωμα βρίσκεται σχεδόν σε όλες τις μπαταρίες λιθίου. Σε διάφορα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης (tablet, smartphone, laptop), η λειτουργία του ελεγκτή που είναι ενσωματωμένος στην μπαταρία συμπληρώνεται επίσης από ένα μικροκύκλωμα που είναι συγκολλημένο στην πλακέτα της ίδιας της συσκευής.
Γενικά, η σωστή λειτουργία των μπαταριών λιθίου διασφαλίζεται από τον ελεγκτή τους. Ο χρήστης βασικά απαιτείται να μην εμπλακεί σε αυτή τη διαδικασία και να μην ασχοληθεί με ερασιτεχνικές δραστηριότητες.
Διάρκεια Ζωής
Η διάρκεια ζωής των μπαταριών λιθίου είναι περίπου 500 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης. Αυτή η τιμή ισχύει για τις περισσότερες σύγχρονες μπαταρίες ιόντων λιθίου και λιθίου-πολυμερούς. Η διάρκεια ζωής μπορεί να διαφέρει με την πάροδο του χρόνου. Εξαρτάται από την ένταση χρήσης της κινητής συσκευής. Με συνεχή χρήση και φόρτωση με εφαρμογές έντασης πόρων (βίντεο, παιχνίδια), η μπαταρία μπορεί να εξαντλήσει το όριο εντός ενός έτους. Αλλά κατά μέσο όρο, η διάρκεια ζωής των μπαταριών λιθίου είναι 3-4 χρόνια.
Διαδικασία φόρτισης
Αξίζει να σημειωθεί αμέσως ότι για την κανονική λειτουργία της μπαταρίας, πρέπει να χρησιμοποιήσετε τον τυπικό φορτιστή που συνοδεύει το gadget. Στις περισσότερες περιπτώσεις πρόκειται για πηγή συνεχούς ρεύματος 5 volt. Οι τυπικοί φορτιστές για ένα τηλέφωνο ή tablet συνήθως παρέχουν ρεύμα περίπου 0,5─1 * C (C είναι η ονομαστική χωρητικότητα της μπαταρίας).
Η τυπική λειτουργία φόρτισης για μια μπαταρία λιθίου είναι η εξής. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται στα χειριστήρια της Sony και εξασφαλίζει μέγιστη φόρτιση. Το παρακάτω σχήμα δείχνει αυτή τη διαδικασία γραφικά.
Η διαδικασία αποτελείται από τρία στάδια:
- Η διάρκεια του πρώτου σταδίου είναι περίπου μία ώρα. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα φόρτισης διατηρείται σε σταθερό επίπεδο έως ότου η τάση της μπαταρίας φτάσει τα 4,2 βολτ. Στο τέλος, ο βαθμός φόρτισης είναι 70%.
- το δεύτερο στάδιο διαρκεί επίσης περίπου μία ώρα. Αυτή τη στιγμή, ο ελεγκτής διατηρεί σταθερή τάση 4,2 βολτ και το ρεύμα φόρτισης μειώνεται. Όταν το ρεύμα πέσει στους 0,2*C περίπου, ξεκινά το τελικό στάδιο. Στο τέλος, ο βαθμός φόρτισης είναι 90%.
- στο τρίτο στάδιο, το ρεύμα μειώνεται συνεχώς σε τάση 4,2 βολτ. Καταρχήν, αυτό το στάδιο επαναλαμβάνει το δεύτερο στάδιο, αλλά έχει αυστηρό χρονικό όριο 1 ώρας. Μετά από αυτό, ο ελεγκτής αποσυνδέει την μπαταρία από το φορτιστή. Στο τέλος, η κατάσταση χρέωσης είναι 100%.
Οι ελεγκτές που είναι σε θέση να παρέχουν τέτοια σταδιοποίηση είναι αρκετά ακριβοί. Αυτό αντικατοπτρίζεται στο κόστος της μπαταρίας. Προκειμένου να μειωθεί το κόστος, πολλοί κατασκευαστές εγκαθιστούν ελεγκτές με ένα απλοποιημένο σύστημα φόρτισης στις μπαταρίες. Συχνά αυτό είναι μόνο το πρώτο στάδιο. Η φόρτιση διακόπτεται όταν η τάση φτάσει τα 4,2 βολτ. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, η μπαταρία λιθίου φορτίζεται μόνο στο 70% της χωρητικότητάς της. Εάν η μπαταρία λιθίου της συσκευής σας χρειάζεται 3 ώρες ή λιγότερες για φόρτιση, τότε πιθανότατα διαθέτει έναν απλοποιημένο ελεγκτή.
Υπάρχουν πολλά άλλα σημεία που αξίζει να σημειωθούν. Περιοδικά (κάθε 2-3 μήνες) αποφορτίζετε πλήρως την μπαταρία (έτσι ώστε το τηλέφωνο να σβήνει). Στη συνέχεια φορτίζεται πλήρως στο 100%. Μετά από αυτό, αφαιρέστε την μπαταρία για 1-2 λεπτά, τοποθετήστε και ενεργοποιήστε το τηλέφωνο. Το επίπεδο φόρτισης θα είναι μικρότερο από 100%. Φορτίστε πλήρως και κάντε το πολλές φορές μέχρι να εμφανιστεί πλήρης φόρτιση όταν τοποθετήσετε την μπαταρία.
Να θυμάστε ότι η φόρτιση μέσω της υποδοχής USB ενός φορητού υπολογιστή, επιτραπέζιου υπολογιστή ή προσαρμογέα αναπτήρα σε ένα αυτοκίνητο είναι πολύ πιο αργή από ό,τι από έναν τυπικό φορτιστή. Αυτό οφείλεται στον τρέχοντα περιορισμό των 500 mA της διεπαφής USB.
Να θυμάστε επίσης ότι στο κρύο και σε χαμηλή ατμοσφαιρική πίεση, οι μπαταρίες λιθίου χάνουν μέρος της χωρητικότητάς τους. Σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν, αυτός ο τύπος μπαταρίας καθίσταται εκτός λειτουργίας.