Литиево-йонни батерии Литиево-йонни батерии

Най-мощните батерии са литиевите батерии. Те имат най-висока енергийна плътност с най-малка конструкция. Поради високата енергийна плътност на литиевите клетки те са особено подходящи за мобилни устройства. Литиевите батерии се използват широко в носими устройства, смартфони, таблети, цифрови фотоапарати и преносими компютри.
Литиевите батерии обаче са скъпи и са много по-чувствителни към неправилно боравене от другите батерии. Освен това са абсолютно токсични за околната среда. Но те предлагат високо ниво на комфорт. Те остават функционални около 5 години със загуба на капацитет.

Номиналното напрежение на литиевите клетки зависи от материала на електрода и е 3,6 или 3,7 V. Поради по-високото напрежение те не са подходящи като заместител на акумулаторни батерии (1,2 V) и батерии (1,5 V) в AA - или AAA дизайн.

Пазарът на малки устройства с батерии показва тенденция към миниатюризация. В същото време енергийните нужди на такива системи се увеличават. Ето защо се провеждат изследвания върху още по-мощни батерии, въпреки че тук има само малки стъпки за развитие.

Забележка: Пръткането с литиеви клетки не е за начинаещи и начинаещи в електрониката. Рискът от експлозии поради неправилни или повредени вериги за зареждане е твърде голям.
Тъй като литиевите батерии са чувствителни към презареждане и дълбоко разреждане, в батерията е вградена електроника, за да ги предпази от презареждане и презареждане.

Преглед: литиеви батерии

Литиево-йонна (Li (NixCoyMnz) O2): широко разпространена, вредна за околната среда
Литиев железен фосфат (LiFePO4): безвреден, ефект на паметта, необходима сложна верига за зареждане
Литиев кобалтов оксид (LiCoO2): най-скъпият, най-високата енергийна плътност, опасен

Изграждане на литиево-йонни клетки

Литиево-йонна клетка се състои от графитен електрод (отрицателен) и литиев метален оксиден електрод (положителен). Литиево-металният оксид може да има променливи пропорции на никел, манган и кобалт (например Li (NixCoyMnz) O2). Тези NMC материали имат висока енергийна плътност и са първият избор за малки устройства. Дори да са по-скъпи и потенциално опасни. Точният състав оказва влияние върху свойствата на литиево-йонната батерия и варира в зависимост от производителя и степента. Следователно не е възможно да се правят точни изявления относно капацитета и експлоатационния живот.

Носителите на заряд са литиевите йони. Те са с малки размери и изключително мобилни. Когато клетката се зарежда, те се отлагат между молекулните слоеве на графита. При разреждането литиевите йони мигрират обратно към литиево-металния оксиден електрод.

Литият е най-лекият метал и реагира бурно с вода. Ето защо като електролит се използва безводен, но запалим разтворител. Разтворителят е причината, поради която има съобщения за взривяване или изгаряне на литиеви батерии. Електролитът се е запалил. По-точните причини са различни. Като правило изземванията на батерии се случват, когато се открият дефектни литиеви батерии.
Електродите са разделени с сепаратор, за да се предотврати късо съединение между електродите. Сепараторът е пропусклив за литиевите йони. Катодът действа като гъба. Той може да побере толкова голям брой йони. Това създава енергийна плътност от 180 Wh/kg и повече.

Функция за зареждане и разреждане

Зареждането става с помощта на I/U процес на зареждане, при който батерията първо се зарежда с постоянен ток, а след това с постоянно напрежение. Литиевите йони мигрират в графита и се събират между молекулните нива. При разреждането литиевите йони мигрират обратно към литиево-металния оксиден електрод.

Напрежението в края на зареждането е 4,1 или 4,2 волта и трябва да се спазва с точност от 50 миливолта. В противен случай клетката ще бъде унищожена. Най-ниското ограничение на напрежението е 2,5 волта. Клетката е повредена отдолу.
За да се предотврати повреда на клетките, всяка батерия има своя собствена електроника за зареждане и защита. Той следи за спазването на граничните стойности по време на товарене и разтоварване. Той е адаптиран към литиевите клетки.
В зависимост от качеството на литиево-йонната батерия, тя може да се справи само с няколкостотин цикъла на зареждане, докато капацитетът за съхранение значително падне. Редовното зареждане на наполовина пълна батерия не влияе върху общия капацитет.

За да спестите батерията, тя не трябва да се зарежда над 90 процента или да се разрежда до по-малко от 10 процента, ако е възможно. Някои преносими компютри предлагат опция за настройка за това. Не е възможно обаче да се прецени колко точно ще издържи батерията. Може би можете да го използвате още една година.

Стареене

Остаряването на литиево-йонните батерии се причинява от клетъчно окисляване. Електродите се окисляват. Те губят способността да съхраняват литиеви йони, необходими за потока на електричеството. Клетъчното окисление се влияе от различни фактори. Например чрез температурата и състоянието на зареждане на батерията. Клетъчното окисление се развива особено бързо при високи температури и с напълно заредена батерия. Това състояние възниква напр. Б. в преносимите компютри това често се случва, когато батерията е напълно заредена и устройството работи и се затопля едновременно. Топлината се предава на батерията.

съхранение

Ако искате да съхранявате литиево-йонна батерия, трябва да я заредите наполовина. Оптималното състояние на зареждане е между 50% и 80%. Съхранението се извършва при стайна температура, по-добре защитено от влага в хладилника (не в охлаждащото отделение). Точно преди да искате да го използвате отново, напълно го зареждате при стайна температура.

Ако литиево-йонната батерия трябва да се съхранява за по-дълъг период от време, състоянието на зареждане трябва да се проверява редовно. Саморазрядът от 1% на месец е изключително нисък, но силно зависи от температурата. Литиево-йонните батерии трябва да се зареждат на всеки 3 до 4 месеца, за да се избегне пълното разреждане. Ако клетката достигне напрежение под 2 волта, клетката може да бъде унищожена.

Когато купувате литиево-йонни батерии, винаги трябва да се очаква, че батериите ще се откажат преждевременно. Особено с батерии, които идват от Далечния изток или са били на път за по-дълъг период от време. Това се отнася и за резервни батерии, които може да са били на съхранение дълго време. Ако батерията е счупена, тя може да бъде поправена. В противен случай батерията трябва да се изхвърли при търговеца или като опасен отпадък.

Грижа за батерията

Химичните промени в електролита и окисляването на електродите са основните причини за стареенето. Литиево-йонните батерии губят капацитета си след 2 до 3 години е просто правило. Дали литиевата батерия издържа само 1 или може би 5 години зависи от обработката, употребата и работната температура. Внимателното боравене възнаграждава литиевата батерия с по-дълъг експлоатационен живот.

Избягвайте температури над 40 ° C
Избягвайте пълно натоварване и разтоварване
Зареждайте над 90 процента от капацитета му възможно най-рядко
Оставете по-малко от 10 процента на празен ход, ако е възможно

Постоянното спазване на тези съвети обаче е много тромаво. По отношение на натоварването, някои операционни системи могат да бъдат настроени съответно. Тъй като електронните устройства се загряват значително по време на работа, потребителят има по-малко влияние върху тях.
Независимо от това, ако се отнасяте с акумулатор с подходящо внимание, експлоатационният живот може да бъде удължен от може би 3 до 4 години.

Енергийна плътност

В сравнение с други батерии, литиевите батерии имат най-висока енергийна плътност. Те съхраняват почти два пъти повече енергия от NiMH батериите, които са със същия размер и тегло.
Енергийната плътност на литиево-йонните батерии се определя главно от катодния материал. Често се среща кобалтов оксид с енергийна плътност до 180 Wh/kg. С литиево-кобалтов никел (LiNiCo) можете дори да достигнете 240 Wh/kg. Има тенденция към по-ниска енергийна плътност до 170 Wh/kg. В замяна батериите могат да издържат значително повече от 500 цикъла на зареждане и следователно имат по-дълъг експлоатационен живот.

Литиево-полимерни батерии (Li-Pol)

Литиево-полимерните батерии са по-нататъшно развитие на литиево-йонните батерии. Те не съдържат никакви течни химикали, а само твърди или гелоподобни компоненти. Следователно те са устойчиви на течове и можете да се справите без защитен метален корпус. Това води до още повече проекти, при които са възможни клетки с дебелина 1 милиметър. Например, кухините в преносимите устройства могат да бъдат използвани оптимално. Например с носими и особено плоски смартфони.

Литиево-въздушна батерия

Литиево-въздушните батерии могат да съхраняват между 10 и 20 пъти повече енергия (11 kWh/kg), отколкото литиево-йонните батерии със същото тегло.
В литиево-въздушните батерии кислородът от въздуха реагира в порите на мезопорест въглероден електрод с размер няколко нанометра с Li +, за да образува литиев пероксид Li2O2. Противоположният електрод се състои от елементарен литий. Като електролит се използва етер, напр. Б. тетрахидрофуран, в който литиевите йони могат да се разтварят.
Въглеродният електрод обаче корозира след няколко цикъла на зареждане. Освен това електролитната течност се разлага много бързо. Това ограничава практическото му използване.

Литиево-йонна батерия в бъдеще

През последните години развитието доведе до литиево-йонни и литиево-полимерни батерии, които могат да съхраняват все повече и повече енергия. Тази енергийна плътност далеч не е достатъчна за изискванията на малките мобилни устройства.
Като алтернатива бяха проведени изследвания на горивни клетки с метанол като гориво (DMFC). За съжаление прототипите не надхвърлят статута на разработка. Очевидно производителите се задоволяват да разработят стационарни непрекъсваеми захранвания (UPS).
Така че има достатъчно подобрения на изпитаните литиево-йонни и литиево-полимерни батерии. По-специално нанотехнологиите (работа с малки частици) дават нов тласък.
Предишните успехи в разработването на литиево-йонни батерии предполагат, че ще бъде възможно да се изминат 500 километра в хибридни превозни средства, преди да се наложи да се зарежда с гориво. Тогава вече нямате нужда от горивни клетки.