Ugrađuje se u sva prijenosna računala, tablete, mobitele i drugu opremu. Nazivni napon takve baterije je 3,7-3,8 V, maksimalni je do 4,4 V, a minimalni od 2,5 do 3,0 V.

Iz povijesti stvaranja

Li-ion baterije prvi put su se pojavile početkom 90-ih. Njihov vodeći proizvođač u početku je bio Sony. Ova baterija sadrži dvije elektrode. Katoda je postavljena na aluminijsku foliju, a anoda na bakrenu foliju. Između elektroda se postavljaju separatori koji sadrže tekući ili gel elektrolit. Litijevi ioni s "+" nabojem su nositelji struje, ioni koji mogu prodrijeti u druge kemijske elemente, izazivajući tako elektrokemijsku reakciju koja daje snagu određenom uređaju.

Litijske baterije prethodne generacije bile su “poznate” po povećanoj opasnosti od eksplozije zbog upotrebe litijeve metalne anode u njima i pojave plinovitih kemijskih spojeva unutar baterije. Kod višestrukih ciklusa punjenja i pražnjenja može doći do kratkog spoja, a potom i do eksplozije litijske baterije. Eksplozije su se dogodile i jer su litijevi ioni opasno reagirali s drugim tvarima u baterijama.

Kada je anodna kemikalija konačno promijenjena u grafit, to je potpuno ispravljeno. Usput, svi moderni uređaji za punjenje, preko kojih baterije dobivaju energiju, štite ih od pregrijavanja i "pretjerane" struje. U litij-ferum-fosfatnim baterijama ovaj je ozbiljan nedostatak potpuno eliminiran. Međutim, bilo je potrebno oko 20 godina za razvoj sigurnih baterijskih uređaja.

Kako bi se izbjeglo spontano sagorijevanje litijske baterije tijekom punjenja, proizvođači su počeli ugrađivati ​​kontroler punjenja baterije u kućište. Regulator regulira temperaturu unutar baterije, dubinu pražnjenja i količinu potrošene struje. Ali nisu sve litijeve baterije opremljene kontrolerom. Često ga proizvođač ne instalira - kako bi uštedio novac i povećao kapacitet. Iz tog razloga neke baterije još uvijek eksplodiraju.

No, za razliku od svojih prethodnika u obliku baterija, ionske baterije imaju puno bolje karakteristike. Niska razina samopražnjenja u takvim baterijama osigurava njihov duži vijek trajanja, a veliki kapacitet im omogućuje mnogo duži rad. Osim toga, niti jedna litijeva ćelija ne zahtijeva dodatno održavanje, a ako konačno ne uspije, bolje je ne obnavljati je, već zamijeniti.

Kako pravilno koristiti i čuvati litij-ionsku bateriju

Važno je osigurati da baterija uvijek bude barem minimalno napunjena. Ne smije se dopustiti da se bilo koja ionska baterija potpuno isprazni. Ako se ne koristi i potpuno je ispražnjen, to će rezultirati kratkim pražnjenjem baterije. Faktor temperature uvelike utječe na sigurnost baterije.Nemojte puniti niti skladištitilitijske baterijena pretjerano visokim i niskim temperaturama, jer će njihov pokazatelj kapaciteta brzo početi padati.

Li-ion je osjetljiv na promjene napona. Ako se U u punjaču čak i malo poveća (na primjer, samo 4%), baterija će gubiti kapacitet sa svakim ciklusom punjenja i pražnjenja.

Najbolji uvjeti skladištenja za Li-ion: napunjenost treba biti najmanje 40% kapaciteta ionske ćelije, a temperatura treba biti od 0 do +10°C.

Unatoč svim pozitivnim karakteristikama, nema smisla kupovati Li-ion za buduću upotrebu: baterija gubi oko 4% svog kapaciteta u 2 godine. Prilikom kupnje svakako obratite pozornost na datum proizvodnje. Ako je prošlo više vremena od proizvodnje, ne preporučuje se kupnja takve baterije.

Uobičajeno je 2 godine, ali sada su proizvodne tvrtke izmislile metodu koja im omogućuje dulje skladištenje. Bateriji je dodan poseban konzervans koji joj omogućuje skladištenje dulje od dvije godine. Ako se u elektrolitu nalazi konzervans, bateriju je prije prve uporabe potrebno potpuno isprazniti tako što ćete je provesti svojevrsnim treningom u vidu dva ili tri ciklusa punjenja i pražnjenja. Ovom reaktivacijom elektrolit u bateriji postupno se raspada i baterija se vraća na normalnu razinu kapaciteta.

Ako se to ne učini s litijevim ćelijama, baterija će dobiti "efekt pamćenja", a zatim će se, budući da je konzervans još uvijek unutra, kad se napuni i struja baterije poveća, početi brzo raspadati, a baterija može nateći.

Ako se ionskim baterijama rukuje pažljivo i pažljivo, poštujući sve uvjete skladištenja, uz pravilnu upotrebu one će trajati dugo, a razina kapaciteta u takvim baterijama dugo će ostati na visokoj razini.

Litij polimer baterija kao alternativa Li-ion

Polimerne baterije su poboljšana verzija litij-ionskih baterija. Tehnički napredak ne stoji mirno, a sada se već razmatraju kao ozbiljna alternativa prethodnim baterijama na bazi litija. Svrha stvaranja baterija temeljenih na polimernim materijalima bila je, prije svega, eventualno otklanjanje nedostataka Li-iona u vidu visoke cijene i povećanog rizika od spontanog izgaranja.

Glavna razlika između polimerne baterije i Li-ion je u tome što se kao elektrolit u proizvodnji ne koriste tekući ili gel, već čvrsti polimeri. Promjena elektrolita veliko je postignuće jer su ove baterije sigurnije i sada možete puno manje brinuti o potencijalnim eksplozijama prilikom njihove uporabe.

Čvrsti materijali igrali su glavnu ulogu u provođenju struje i prije - na primjer, korištenje plastičnog filma, a njihova upotreba unutar Li-pol baterije, umjesto poroznog separatora impregniranog tekućinom između njezina dva pola, bila je značajan korak naprijed.

Li-pol baterije također imaju poboljšane karakteristike u smislu praktičnog oblika, budući da polimeri omogućuju dobivanje različitih veličina i vrsta takvih baterija. Minimalna debljina polimernih baterija može biti samo 1 mm.

Uz razlike, postoje i sličnosti između Li-iona i Li-pola. To najvećim dijelom znači da nisu otklonjeni svi nedostaci, a mogućnosti za daljnji rad proizvođača još nisu u potpunosti iscrpljene. Na primjer, nema velike razlike između njih u pogledu vijeka trajanja i problema "starenja" ako se ne koriste.

Polimerne baterije, poput Li-ion, koriste se u mobilnim telefonima, radio-upravljanoj opremi i prijenosnim električnim alatima, poput električnih bušilica i odvijača.

Neki proizvođači polimernih baterija tvrde da one nemaju učinak pamćenja, a navodno mogu raditi u širem temperaturnom rasponu: od -20 do +40-60°C, što ih omogućuje korištenje u vrućim tropskim klimatskim uvjetima. Budući da opasnost od samozapaljenja još nije u potpunosti otklonjena, polimerne baterije obično su opremljene ugrađenim električnim krugom koji sprječava prekomjerno punjenje i pregrijavanje.

Kako obnoviti Li-ion bateriju

Unatoč činjenici da je radni vijek mnogih modernih baterija prilično dug, dolazi vrijeme kada se naboj bilo kojeg kemijskog izvora struje iscrpi. Kapacitet pada, a baterija više ne može dugo i ispravno raditi. Pogotovo ako je ispražnjeni izvor energije bio pohranjen dulje vrijeme bez ponovnog punjenja. Postoji nekoliko uobičajenih načina da ga vratite u život. Obnovljena baterija neće dugo trajati, ali time ćete dobiti vrijeme prije nego što bude potrebna zamjena.

Na internetu su opisane najneočekivanije, a ponekad i potpuno nelogične metode. Na primjer, postoje članci da možete učinkovito rastegnuti bateriju ako je punite i praznite nekoliko puta zaredom. Naravno, ovo je mit i ovu "metodu" ne treba koristiti. Također, na jednom od popularnih foruma opisan je primjer iz stvarnog života kako je jedna osoba uzdrmala bateriju stavljajući je u hladnjak. Nabubrio je do enormnih dimenzija i rasprsnuo se nakon vađenja iz zamrzivača - naravno, zbog promjene temperature.

Na ozbiljno pitanje kako doista napuniti bateriju mobitela, možete dati jednostavan i jasan odgovor: uzmite bilo koji punjač baterija s naponom od 5-12 V i otpornikom otpora od 330 Ohma do 1 kiloOhma. Dijagram spajanja je krajnje jednostavan: "minus" izvora napajanja spojen je na "minus" baterije, a "plus" na "plus", preko otpornika. Sada morate uključiti punjač i redovito provjeravati porast napona pomoću multimetra 10-15 minuta. Napon postupno raste, a kada dosegne otprilike 3,31 V, telefon “pronalazi” bateriju i prihvaća je.

Moguće je i podizanje Li-iona, isključenog kontrolerom, uz brzo dovođenje baterije u radno stanje . U tom slučaju, pri mjerenju trenutnog napona, njegova vrijednost će biti oko 2,5 V. Baterija je "živa" i može još neko vrijeme raditi, iako na prvi pogled izgleda gotovo ispražnjena. Vraćamo ga ovako: za ovo će vam trebati "narodni punjač" Imax B6 i multimetar. Zaštitni krug baterije je odlemljen i spojen na Imax. A kako provjeriti napon je već jasno: uvijek se prati multimetrom.

Zamahujemo baterijom što je moguće opreznije. Program punjenja postavljen je na Li-Po, način punjenja odabire se ovisno o vrsti baterije: za Li-ion - 3,6 V, ili 3,7 V za Li-pol. Važno: tijekom postupka oporavka postavite parametar Auto - bez njega, početak neće započeti zbog niske napunjenosti baterije. Trenutna vrijednost odabire se pomoću gumba “+” i “–”. 1 A je najsigurnija i optimalna struja za pojačanje.

Kada napon dosegne 3,2-3,3 V, baterija će početi s punim radom.

Je li moguće popraviti natečenu bateriju?

Na internetu postoji veliki broj popularnih članaka o ovoj temi, pa čak i videa poput “Jednostavno obnavljam natečene baterije”. Slijedi opis odnosno snimanje procesa rastavljanja baterije, njenog bušenja iglom ili šilom kako bi se “ispustili plinovi” i ponovnog umetanja baterije u telefon.

Nažalost, nesretni autori takvih videozapisa i publikacija ne objašnjavaju ljudima zašto je baterija natečena, već hrabro nastavljaju s vrlo sumnjivim radnjama koje mogu biti nesigurne i za osobu i za uređaj u kojem se nalazi takva baterija.

"Treniranje intelekta" i uključivanje u takvu obnovu snažno se obeshrabruje. Treba imati na umu da je svaka litij-ionska baterija prije svega izvor kemijskih reakcija koje mogu biti i otrovne i eksplozivne.

Oticanje baterije može se pojaviti ili kao posljedica poremećaja kemijskih procesa unutar nje zbog greške u proizvodnji ili zbog krivnje vlasnika gadgeta ako je operacija bila neispravna.

Ako je, na primjer, jeftina baterija natečena zbog greške u proizvodnji, razmislite o tome je li proizvođač imao povjerenja, a sljedeći put je bolje kupiti bateriju po višoj cijeni, ali uz jamstvo kvalitete.

Baterije također nabubre kada vlaga uđe unutra, što se najčešće događa zbog nemara vlasnika telefona ili tableta. Ako prilikom punjenja telefona koristite pogrešan uređaj, baterija će prije ili kasnije nabubriti zbog visoke razine struje, što remeti brzinu kemijskih procesa u njoj. Ako je telefon dizajniran za struju od 1 A, punjenje strujom od 2 A više se ne može koristiti. Kao alternativu, možete uzeti uređaj s nižom, ali ne većom strujom - u slučaju da se “originalni” punjač izgubi ili pokvari.

Korištenje baterije u vrućim klimatskim uvjetima također može uzrokovati njeno oticanje. Potpuno napunjen telefon ne smijete ostavljati na vrućini, a ako je baterija iz nekog razloga natekla, ne treba je rastavljati i bušiti, već zamijeniti novom.

Prošlo je dosta vremena otkako su Ni-Cd i Ni-Mh baterije vladale u mobilnim uređajima, ali od početka ere Li-ion i Li-pol, traje rasprava o tome treba li te baterije "osposobiti" "odmah nakon kupnje.
Postaje smiješno, u diskusiji o ZP100 na china-iphoneu, svim početnicima je uredno preporučeno da prođu kroz 10 ciklusa punjenja i pražnjenja, a tek onda dolaze s pitanjima o baterijama.

Pokušajmo dokučiti ima li takva preporuka pravo na život ili su to refleksi leđne moždine (u nedostatku mozga, vjerojatno) nekih pojedinaca kojima su oni ostali iz vremena nikl baterija.

Tekst može i najvjerojatnije sadrži pravopisne, interpunkcijske, gramatičke i druge vrste pogrešaka, uključujući semantičke. Autor će biti zahvalan na informacijama o njima (naravno, nasamo, a još bolje uz pomoć ovog divnog proširenja), ali ne jamči njihovo uklanjanje.

O terminologiji

O čitanju podatkovnih tablica

Na Googleu je pronađena podatkovna tablica za bateriju koja se sastoji od jedne stranice:


Ja ću dešifrirati što tamo piše.
Mislim što je Nazivni kapacitet I Minimalni kapacitet Svi razumiju - uobičajeni kapacitet i minimalni kapacitet. Oznaka 0,2 C znači da takav kapacitet postiže samo ako se isprazni strujom od 0,2 njegovog kapaciteta - 720 * 0,2 = 144 mA.
Napon punjenja I Nazivni napon- Napon punjenja i radni napon također su jednostavni i jasni.
Ali sljedeća točka je teža - Punjenje.
Metoda: CC/CV- Znači da se prva polovica procesa punjenja mora održavati na konstantnoj struji (navedeno je dolje, 0,5 C je standardno - tj. 350 mA, a 1 C je maksimalno - 700 mA). A nakon što napon na bateriji dosegne 4,2 V, morate postaviti konstantan napon, isti 4,2 V.
Točka ispod - Standardno pražnjenje, Pražnjenje. Predlažu pražnjenje strujom od 0.5C - 350mA i do 2C - 1400mA do napona od 3V. Proizvođači lažu - pri takvim strujama kapacitet će biti manji od deklariranog.
Maksimalna struja pražnjenja je točno određena unutarnjim otporom. Ali potrebno je razlikovati najveću struju pražnjenja od najveće dopuštene. Ako prvi može biti 5A, ili čak i više, onda je drugi strogo određen - ne više od 1,4A. To je zbog činjenice da pri tako visokim strujama pražnjenja baterija počinje nepovratno propadati.
Zatim slijede informacije o težini i radnoj temperaturi: punjenje od 0 do 45 stupnjeva, pražnjenje od -20 do 60. Temperatura skladištenja: od -20 do 45 stupnjeva, obično s punjenjem od 40% -50%.
Obećano je da će vijek trajanja biti najmanje 300 ciklusa (puno pražnjenje-punjenje sa strujom od 1C) na temperaturi od 23 stupnja. To ne znači da će se baterija nakon 300 ciklusa isključiti i više se neće uključiti, ne. Proizvođač jednostavno jamči da se kapacitet baterije neće smanjiti nakon 300 ciklusa. A onda - koliko ste sretni, ovisi o strujama, temperaturi, uvjetima rada, šarži, položaju mjeseca i tako dalje.

O punjenju

Standardna metoda kojom se pune sve litijeve baterije (li-pol, li-ion, lifepo, samo su struje i naponi različiti) je CC-CV, gore spomenuta.
Na samom početku punjenja održavamo konstantnu struju. To se obično radi povratnim krugom u punjaču - napon se automatski odabire tako da struja koja prolazi kroz bateriju bude jednaka potrebnoj.
Čim taj napon postane jednak 4,2 volta (za opisanu bateriju), ta se struja više ne može održavati - napon na bateriji će se previše povećati (sjećamo se da se radni napon litijskih baterija ne smije prekoračiti), i može se zagrijati pa čak i eksplodirati.
Ali sada baterija nije potpuno napunjena - obično 60% -80%, a za punjenje preostalih 40% -20% bez eksplozija, struja se mora smanjiti.
Najlakši način za to je održavati konstantan napon na bateriji, a ona će uzeti struju koja joj je potrebna. Kada se ta struja smanji na 30-10 mA, baterija se smatra napunjenom.
Kako bih ilustrirao sve gore navedeno, obojio sam u Photoshopu i pripremio grafikon napunjenosti eksperimentalne baterije:


Na lijevoj strani grafikona, označeno plavom bojom, vidimo konstantnu struju od 0,7 A dok napon postupno raste od 3,8 V do 4,2 V. Također se može vidjeti da tijekom prve polovice punjenja baterija doseže 70% svog kapaciteta, dok u preostalom vremenu doseže samo 30%

O tehnologiji testiranja

Kao testna baterija odabrana je sljedeća baterija:


Na njega je bio spojen Imax B6 (o tome sam pisao ovdje):


Koja je preuzela podatke o punjenju i pražnjenju na računalo. Grafikoni su izrađeni u LogViewu.
Tada sam se samo javljao svakih nekoliko sati i naizmjenično uključivao punjenje i pražnjenje.

O rezultatima

Kao rezultat mukotrpnog rada (i sami pokušavate puniti 2 tjedna) dobivena su dva grafikona:


Kao što mu ime kaže, prikazuje promjenu kapaciteta baterije tijekom prvih 10 ciklusa. Malo pluta, ali fluktuacije su oko 5% i nemaju trend. Općenito, kapacitet baterije se ne mijenja. Sve točke su uzete sa strujom pražnjenja od 1C (0,7A), što odgovara aktivnom radu pametnog telefona.
Dvije od tri točke na kraju grafikona pokazuju kako se kapacitet mijenja pri niskim temperaturama baterije. Posljednje je kako se kapacitivnost mijenja pri pražnjenju velikom strujom. Sljedeći grafikon to opisuje:

Pokazuje da što je veća struja pražnjenja, to se manje energije može dobiti iz baterije. Iako, evo šale, čak i pri najmanjoj struji od 100 mA, kapacitet baterije ne odgovara podatkovnoj tablici. Svi lažu.

Iako ne, test baterije tvrtke Mugen Power na 1900 mAh za Zopo ZP100 pokazao je prilično poštena gotovo dva ampera:

Ali kineska baterija od 5000 mAh postigla je samo 3000:

O zaključcima

1. Obuka jednoćelijskih litijevih baterija je besmislena. Nije štetno, ali troši životni ciklus baterije. Kod mobilnih uređaja vježbanje se ne može opravdati niti radom kontrolera – parametri baterije su isti i ne mijenjaju se ovisno o modelu i vremenu. Jedino na što nedovoljno pražnjenje može utjecati je točnost očitanja indikatora napunjenosti (ali ne i vrijeme rada), ali za to je dovoljno jedno potpuno pražnjenje svakih šest mjeseci.
   Opet. Ako imate player, telefon, walkie-talkie, PDA, tablet, dozimetar, multimetar, sat ili bilo koji drugi mobilni uređaj koji koristi Li-Ion ili Li-Pol bateriju (ako je izmjenjiva, na njoj će pisati, ako se ne može ukloniti, tada je 99 % litij) - “trening” dulji od jednog ciklusa je beskoristan. Jedan ciklus također je najvjerojatnije beskoristan.
   Ako imate bateriju za kontrolirane modele, onda se prvih nekoliko ciklusa mora prazniti s niskim strujama (male, hehe. Za njih je mala 3-5C. Ovo je zapravo jedan i pol amper na 11 volti. A radne struje ima ih do 20C). Pa, svatko tko koristi ove baterije zna. Ali za sve ostale to neće biti korisno, osim za opći razvoj.
2. U nekim slučajevima, kada koristite baterije s više baterija, potpuno pražnjenje-punjenje može povećati kapacitet. U baterijama za prijenosna računala, ako je proizvođač štedio na pametnom regulatoru baterije koji ne balansira baterije u seriji sa svakim punjenjem, puni ciklus može povećati kapacitet za sljedećih nekoliko ciklusa. To se događa izjednačavanjem napona na svim bankama, što dovodi do njihovog potpunog punjenja. Prije nekoliko godina naišao sam na prijenosna računala s takvim kontrolerima. Sada ne znam.
3. Ne vjerujte onome što piše na etiketama. Pogotovo kineski. U prethodnoj temi dao sam link u kojem veliki test kineskih baterija nije otkrio niti jednu čiji kapacitet odgovara natpisu. NIJEDAN! Uvijek se precjenjuju. A ako ga ne precjenjuju, jamče kapacitet samo u stakleničkim uvjetima i pri pražnjenju slabom strujom.
4. Držite bateriju toplom. Pametni telefon u džepu traperica radit će malo duže nego u vanjskom džepu jakne. Razlika može biti i 30%, a zimi i više.
5. Prati me. To možete učiniti na mom profilu (gumb “pretplati se”).

Litij-ionske (li-ion) baterije možete puniti pomoću punjača ili sami. Nećemo razmatrati dizajn litij-ionskih i polimernih (li-pol) baterija, već ćemo odmah prijeći na praksu. Obje vrste baterija se pune na isti način, tako da ćemo dalje govoriti o li-ion.

Pravila za punjenje Li-Ion baterije:

• Baterija se može puniti samo na temperaturama od 0 do +45 stupnjeva. Dok se baterija ne zagrije, neće se normalno puniti;
• Minimalni napon za Li-Ion bateriju je 2,5 ili 3 volta, ovisno o kemijskom sastavu. Bolje se usredotočiti na 3B;
• Nazivni napon 3,7 V;
• Maksimalni napon punjenja je 4,2 V ili 4,3 V, ovisno o kemijskom sastavu. Bolje je usredotočiti se na 4,2 V;
• Kapacitet je naznačen na bateriji ili uređaju, nazovimo ga C. Dalje će biti jasno zašto ga morate znati za punjenje;
• Normalni način punjenja: struja je ograničena na 0,5*C (tj. vrijednost jednaka polovici kapaciteta baterije), napon je ograničen na 4,2 V;
• Ako je baterija ispražnjena na 3V i niže: struju treba ograničiti na 0,1*C dok napon ne prijeđe 3V;
• Baterija se puni dok struja ne prestane opadati ili je uopće nema, ako ste napon ograničili na 4,2V. Ako ne ograničite napon, sve dok napon ne poraste na 4,2 V;
• Nikada ne podižite napon iznad 4,2 ili 4,3 volta. Kada se napon stalno prekoračuje, na elektrodama se pojavljuju naslage. U najboljem slučaju baterija će zauvijek izgubiti kapacitet. Ako proces traje duže vrijeme, talog uzrokuje kratki spoj. Može se zagrijati, uništiti elektrode i zapaliti.

Dodatno

Da biste se sami napunili, morate ograničiti napon i struju. Idealno za ovo laboratorijsko napajanje.

Kod litij-ionskih baterija napona iznad 3,7 V baterije su spojene paralelno. Dijeljenje napona baterije s 3,7 daje broj baterija povezanih u seriju. Množenjem broja baterija s 3 dobit ćete minimalni napon baterije. Množenjem s 4,2 dobivamo maksimalni napon.

Li-Ion baterije su praktički lišene "efekta pamćenja" i stoga ne zahtijevaju obuku. Pokušajte ne isprazniti bateriju do kraja ili je stalno napunjenu.

Optimalna napunjenost baterije je 50-80%. Međutim, besmisleno je trpjeti i održavati takve vrijednosti kada koristite prijenosno računalo, pametni telefon ili čak svjetiljku. Obično se pune kada je to zgodno i kada je potrebno, a prazne se dok nije potrebno. To je ono za što je Li-Ion stvoren, nema smisla ograničavati se.

Slijedeći gore navedene metode punjenja baterija s visokim naponima ili "skočnim" strujama štetne su za bateriju. Bolje je ostaviti bateriju na niskoj struji nekoliko sati ili nekoliko dana. Ovo je ekonomičniji način oživljavanja baterije. To će omogućiti regulatoru da radi prema očekivanjima i omogućiti punjenje normalnim strujama.

Valjda je to sve, sretne vježbe.

Procesi punjenja i pražnjenja svake baterije odvijaju se u obliku kemijske reakcije. Međutim, punjenje litij-ionskih baterija iznimka je od pravila. Znanstvena istraživanja pokazuju energiju takvih baterija kao kaotično kretanje iona. Izjave stručnjaka zaslužuju pozornost. Ako znanost želi ispravno puniti litij-ionske baterije, onda bi ti uređaji trebali trajati zauvijek.

Dokaze o gubitku korisnog kapaciteta baterije, što potvrđuje praksa, znanstvenici vide u ionima blokiranim takozvanim zamkama.

Stoga, kao što je slučaj s drugim sličnim sustavima, ni litij-ionski uređaji nisu imuni na kvarove tijekom uporabe u praksi.

Punjači za Li-ion dizajne imaju neke sličnosti s uređajima dizajniranim za sustave s olovnom kiselinom.

Ali glavne razlike između takvih punjača vide se u opskrbi ćelija povećanim naponom. Osim toga, postoje strože tolerancije struje, plus eliminacija povremenog ili nestalnog punjenja kada je baterija potpuno napunjena.

Relativno snažan uređaj za napajanje koji se može koristiti kao uređaj za pohranu energije za dizajne alternativnih izvora energije
Litij-ionske baterije s mješavinom kobalta opremljene su unutarnjim zaštitnim krugovima, ali to rijetko sprječava eksploziju baterije kada se prepuni.

Također postoji razvoj litij-ionskih baterija, gdje je povećan postotak litija. Za njih napon punjenja može doseći 4,30 V/I i više.

Pa, povećanje napona povećava kapacitet, ali ako napon prelazi specifikaciju, to može dovesti do uništenja strukture baterije.

Stoga su litij-ionske baterije uglavnom opremljene zaštitnim krugovima čija je svrha održavanje utvrđenog standarda.

Potpuno ili djelomično punjenje

Međutim, praksa pokazuje: najjače litij-ionske baterije mogu prihvatiti višu razinu napona, pod uvjetom da se isporučuje kratko vrijeme.

S ovom opcijom, učinkovitost punjenja je oko 99%, a ćelija ostaje hladna tijekom cijelog vremena punjenja. Istina, neke litij-ionske baterije još uvijek se zagrijavaju za 4-5C kada se potpuno napune.

To može biti zbog zaštite ili zbog velikog unutarnjeg otpora. Za takve baterije, punjenje treba prekinuti kada temperatura poraste iznad 10ºC pri umjerenoj brzini punjenja.

Pune se litij-ionske baterije u punjaču. Indikator pokazuje da su baterije potpuno napunjene. Daljnji postupak prijeti oštećenjem baterija

Potpuno punjenje sustava s mješavinom kobalta događa se pri naponu praga. U tom slučaju struja pada do 3-5% nominalne vrijednosti.

Baterija će pokazivati ​​punu napunjenost čak i kada dosegne određenu razinu kapaciteta koja ostaje nepromijenjena dulje vrijeme. Razlog tome može biti povećano samopražnjenje baterije.

Povećanje struje punjenja i zasićenja punjenja

Treba napomenuti da povećanje struje punjenja ne ubrzava postizanje stanja pune napunjenosti. Litij će brže doseći vršni napon, ali punjenje do potpunog zasićenja traje dulje. Međutim, punjenje baterije visokom strujom brzo povećava kapacitet baterije na približno 70%.

Litij-ionske baterije ne zahtijevaju potpuno punjenje, kao što je slučaj s olovnim uređajima. Štoviše, ova opcija punjenja je nepoželjna za Li-ion. Zapravo, bolje je ne puniti bateriju do kraja, jer visoki napon “opterećuje” bateriju.

Odabir nižeg praga napona ili potpuno uklanjanje naboja zasićenja pomaže produžiti vijek trajanja litij-ionske baterije. Istina, ovaj pristup prati smanjenje vremena oslobađanja energije baterije.

Ovdje treba napomenuti: kućni punjači u pravilu rade maksimalnom snagom i ne podržavaju podešavanje struje (napona) punjenja.

Proizvođači potrošačkih punjača za litij-ionske baterije smatraju da je dug vijek trajanja baterije manje važan od cijene složenosti strujnog kruga.

Punjači Li-ion baterija

Neki jeftini kućni punjači često rade na pojednostavljenu metodu. Napunite litij-ionsku bateriju za jedan sat ili manje, bez punjenja do zasićenja.

Indikator spremnosti na takvim uređajima svijetli kada baterija dosegne prag napona u prvom stupnju. Stanje napunjenosti je oko 85%, što često zadovoljava mnoge korisnike.

Ovaj punjač domaće proizvodnje nudi se za rad s različitim baterijama, uključujući litij-ionske baterije. Uređaj ima sustav regulacije napona i struje, što je već dobro

Profesionalni punjači (skupi) odlikuju se činjenicom da postavljaju niži prag napona punjenja, produžujući tako vijek trajanja litij-ionske baterije.

Tablica prikazuje izračunatu snagu pri punjenju takvim uređajima na različitim pragovima napona, sa i bez punjenja zasićenja:

Napon punjenja, V/po ćeliji	Kapacitet pri visokom naponu isključenja, %	Vrijeme punjenja, min	Kapacitet pri punom zasićenju, %
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

Čim se litij-ionska baterija počne puniti, dolazi do brzog porasta napona. Ovo ponašanje je usporedivo s dizanjem tereta gumenom trakom kada postoji efekt kašnjenja.

Kapacitet će se konačno dobiti kada je baterija potpuno napunjena. Ova karakteristika punjenja tipična je za sve baterije.

Što je veća struja punjenja, to je efekt gumene trake svjetliji. Niska temperatura ili prisutnost ćelije s visokim unutarnjim otporom samo pojačava učinak.

Struktura litij-ionske baterije u najjednostavnijem obliku: 1- negativna sabirnica od bakra; 2 — pozitivna guma od aluminija; 3 - anoda kobalt oksida; 4- grafitna katoda; 5 - elektrolit

Procjena napunjenosti očitavanjem napona napunjene baterije je nepraktična. Mjerenje napona otvorenog kruga (mirovanja) nakon što je baterija stajala nekoliko sati najbolji je pokazatelj procjene.

Kao i kod drugih baterija, temperatura utječe na brzinu u praznom hodu na isti način na koji utječe na aktivni materijal litij-ionske baterije. , prijenosnih računala i drugih uređaja procjenjuje se brojanjem kulona.

Litij-ionska baterija: prag zasićenja

Litij-ionska baterija ne može apsorbirati višak napunjenosti. Stoga, kada je baterija potpuno zasićena, struja punjenja mora se odmah ukloniti.

Stalno strujno punjenje može dovesti do metalizacije litijevih elemenata, što krši načelo osiguravanja sigurnog rada takvih baterija.

Kako biste smanjili nastajanje kvarova, trebali biste odspojiti litij-ionsku bateriju što je prije moguće kada dosegne vršnu napunjenost.

Ova baterija više neće izdržati točno onoliko punjenja koliko bi trebala. Zbog nepravilnog punjenja izgubio je svoja glavna svojstva kao uređaj za pohranu energije.

Čim punjenje prestane, napon litij-ionske baterije počinje padati. Pojavljuje se učinak smanjenja fizičkog stresa.

Neko će vrijeme napon otvorenog kruga biti raspodijeljen između neravnomjerno nabijenih ćelija s naponom od 3,70 V i 3,90 V.

Ovdje također privlači pažnju proces kada litij-ionska baterija, koja je dobila potpuno zasićeni naboj, počinje puniti susjednu (ako je uključena u strujni krug), koja nije primila zasićeni naboj.

Kada litij-ionske baterije treba stalno držati na punjaču kako bi se osigurala njihova spremnost, oslonite se na punjače koji imaju funkciju kratkotrajnog kompenzacijskog punjenja.

Flash punjač se uključuje kada napon otvorenog kruga padne na 4,05 V/I i isključuje se kada napon dosegne 4,20 V/I.

Punjači dizajnirani za rad u stanju pripravnosti ili pripravnosti često dopuštaju da napon baterije padne na 4,00 V/I i punit će Li-Ion baterije samo do 4,05 V/I umjesto da dosegnu punu razinu od 4,20 V/I.

Ova tehnika smanjuje fizički napon, koji je inherentno povezan s tehničkim naponom, i pomaže u produljenju vijeka trajanja baterije.

Punjenje baterija bez kobalta

Tradicionalne baterije imaju nominalni napon ćelija od 3,60 volta. Međutim, za uređaje koji ne sadrže kobalt, ocjena je drugačija.

Dakle, litij fosfatne baterije imaju nominalnu vrijednost od 3,20 volta (napon punjenja 3,65 V). A nove litij-titanatne baterije (proizvedene u Rusiji) imaju nominalni napon ćelija od 2,40 V (napon punjača 2,85).

Litij fosfatne baterije su uređaji za pohranu energije koji u svojoj strukturi ne sadrže kobalt. Ova činjenica donekle mijenja uvjete punjenja za takve baterije.

Tradicionalni punjači nisu prikladni za takve baterije jer preopterećuju bateriju uz opasnost od eksplozije. Nasuprot tome, sustav punjenja za baterije bez kobalta neće osigurati dovoljno punjenja za tradicionalnu litij-ionsku bateriju od 3,60 V.

Prekomjerna napunjenost litij-ionske baterije

Litij-ionska baterija radi sigurno unutar specificiranih radnih napona. Međutim, učinak baterije postaje nestabilan ako se napuni iznad radnih granica.

Dugotrajno punjenje litij-ionske baterije s naponom iznad 4,30 V, dizajniranom za radni napon od 4,20 V, prepuno je litijeve metalizacije anode.

Materijal katode pak poprima svojstva oksidirajućeg sredstva, gubi stabilnost i oslobađa ugljični dioksid.

Tlak ćelije baterije raste i ako se punjenje nastavi, unutarnji zaštitni uređaj će raditi na tlaku između 1000 kPa i 3180 kPa.

Ako se nakon toga porast tlaka nastavi, zaštitna membrana se otvara pri razini tlaka od 3,450 kPa. U tom stanju, ćelija litij-ionske baterije je na rubu eksplozije i na kraju čini upravo to.

Struktura: 1 - gornji poklopac; 2 - gornji izolator; 3 - čelična limenka; 4 - donji izolator; 5 — jezičak anode; 6 - katoda; 7 - separator; 8 - anoda; 9 — katodni jezičak; 10 - ventilacijski otvor; 11 - PTC; 12 — brtva

Aktiviranje zaštite unutar litij-ionske baterije povezano je s povećanjem temperature unutarnjeg sadržaja. Potpuno napunjena baterija ima višu unutarnju temperaturu od djelomično napunjene.

Stoga se čini da su litij-ionske baterije sigurnije kada se pune na niskoj razini. Zbog toga vlasti nekih zemalja zahtijevaju korištenje Li-ion baterija u zrakoplovima koje su zasićene energijom najviše 30% svog punog kapaciteta.

Prag unutarnje temperature baterije pri punom opterećenju je:

• 130-150°C (za litij-kobalt);
• 170-180°C (za nikal-mangan-kobalt);
• 230-250°C (za litij mangan).

Treba napomenuti: litij fosfatne baterije imaju bolju temperaturnu stabilnost od litij manganskih baterija. Litij-ionske baterije nisu jedine koje predstavljaju opasnost u uvjetima energetskog preopterećenja.

Na primjer, olovno-nikl baterije također su sklone topljenju s naknadnim požarom ako se zasićenje energijom provodi u suprotnosti s režimom putovnice.

Stoga je korištenje punjača koji savršeno odgovaraju bateriji od iznimne važnosti za sve litij-ionske baterije.

Neki zaključci iz analize

Punjenje litij-ionskih baterija ima pojednostavljenu proceduru u usporedbi s nikalnim sustavima. Krug punjenja je jednostavan, s ograničenjima napona i struje.

Ovaj je sklop puno jednostavniji od sklopa koji analizira složene naponske signale koji se mijenjaju kako se baterija koristi.

Proces zasićenja energije kod litij-ionskih baterija dopušta prekide; ove baterije ne moraju biti potpuno zasićene, kao što je slučaj s olovnim baterijama.

Upravljački sklop za litij-ionske baterije male snage. Jednostavno rješenje i minimum detalja. Ali krug ne osigurava uvjete ciklusa koji održavaju dug životni vijek

Svojstva litij-ionskih baterija obećavaju prednosti u radu obnovljivih izvora energije (solarni paneli i vjetroturbine). U pravilu, generator vjetra rijetko daje potpuno punjenje baterije.

Za litij-ionski, nedostatak zahtjeva za punjenje u stabilnom stanju pojednostavljuje dizajn kontrolera punjenja. Litij-ionska baterija ne zahtijeva regulator za izjednačavanje napona i struje, kao što to zahtijevaju olovne baterije.

Svi kućanski i većina industrijskih litij-ionskih punjača u potpunosti pune bateriju. Međutim, postojeći uređaji za punjenje litij-ionskih baterija općenito ne omogućuju regulaciju napona na kraju ciklusa.

Litij-ionske (Li-ion) baterije najčešće se koriste u mobilnim uređajima (prijenosna računala, mobiteli, dlanovnici i drugi). To je zbog njihovih prednosti u odnosu na ranije široko korištene nikal-metal-hidridne (Ni-MH) i nikal-kadmijeve (Ni-Cd) baterije.

Li-ion baterije imaju znatno bolje parametre.
Primarne ćelije („baterije“) s litijskom anodom pojavile su se početkom 70-ih godina 20. stoljeća i brzo su pronašle primjenu zbog visoke specifične energije i drugih prednosti. Tako je ostvarena dugogodišnja želja za stvaranjem kemijskog izvora struje s najaktivnijim redukcijskim sredstvom - alkalnim metalom, što je omogućilo naglo povećanje radnog napona baterije i njegove specifične energije. Dok je razvoj primarnih ćelija s litijskom anodom okrunjen relativno brzim uspjehom i takvi elementi čvrsto zauzeli svoje mjesto kao izvori energije za prijenosnu opremu, stvaranje litijevih baterija naišlo je na temeljne poteškoće za čije je prevladavanje trebalo više od 20 godina.

Nakon mnogih testova tijekom 1980-ih, pokazalo se da se problem s litijevim baterijama vrti oko litijevih elektroda. Točnije, oko aktivnosti litija: procesi koji su se dogodili tijekom rada u konačnici su doveli do burne reakcije, nazvane "ventilacija s emisijom plamena". Godine 1991. proizvođači su povukli velik broj litijevih baterija koje su se prvi put koristile kao izvor napajanja za mobilne telefone. Razlog je bio što je tijekom razgovora, kada je potrošnja struje bila maksimalna, iz baterije izbio plamen koji je opržio lice korisnika mobilnog telefona.

Zbog inherentne nestabilnosti metalnog litija, posebno tijekom punjenja, istraživanja su krenula prema stvaranju baterije bez upotrebe Li, ali koristeći njegove ione. Iako litij-ionske baterije pružaju nešto manju gustoću energije od litijevih baterija, litij-ionske baterije su sigurne kada se pravilno pune i prazne.

Kemijski procesi Li-ion baterija.

Razvoj punjivih litijevih baterija revolucioniran je objavom da je Japan razvio baterije s negativnom elektrodom izrađenom od karbonskih materijala. Pokazalo se da je ugljik vrlo pogodna matrica za interkalaciju litija.
Kako bi napon baterije bio dovoljno visok, japanski su istraživači koristili kobaltove okside kao aktivni materijal pozitivne elektrode. Literirani kobaltov oksid ima potencijal od oko 4 V u odnosu na litijevu elektrodu, tako da radni napon Li-ionske baterije ima karakterističnu vrijednost od 3 V i više.

Kada se litij-ionska baterija isprazni, litij se deinterkalira iz ugljičnog materijala (na negativnoj elektrodi), a litij se interkalira u oksid (na pozitivnoj elektrodi). Kod punjenja baterije procesi idu u suprotnom smjeru. Posljedično, u cijelom sustavu nema metalnog (nulavalentnog) litija, a procesi pražnjenja i naboja svode se na prijenos iona litija s jedne elektrode na drugu. Stoga se ove baterije nazivaju "litij-ionske" ili baterije za stolice za ljuljanje.

Procesi na negativnoj elektrodi Li-ion baterije.

U svim Li-ion baterijama dovedenim u komercijalizaciju, negativna elektroda je izrađena od karbonskih materijala. Interkalacija litija u ugljične materijale je složen proces, čiji mehanizam i kinetika uvelike ovise o prirodi ugljičnog materijala i prirodi elektrolita.

Ugljikova matrica koja se koristi kao anoda može imati uređenu slojevitu strukturu, poput prirodnog ili sintetskog grafita, neuređenu amorfnu ili djelomično uređenu (koks, pirolizni ili mezofazni ugljik, čađa itd.). Kada se unesu, ioni litija razdvajaju slojeve ugljikove matrice i nalaze se između njih, tvoreći interkalate različite strukture. Specifični volumen ugljikovih materijala u procesu interkalacije-deinterkalacije litijevih iona neznatno se mijenja.
Osim ugljičnih materijala, proučavaju se strukture na bazi kositra, srebra i njihovih legura, kositrenih sulfida, kobaltovih fosforida i ugljikovih kompozita s nanočesticama silicija kao matrice negativne elektrode.

Procesi na pozitivnoj elektrodi Li-ion baterije.

Dok primarne litijeve ćelije koriste različite aktivne materijale za pozitivnu elektrodu, litijeve baterije imaju ograničen izbor materijala za pozitivnu elektrodu. Pozitivne elektrode litij-ionskih baterija izrađene su isključivo od litiranih oksida kobalta ili nikla i litij manganskih spinela.

Trenutno se materijali na bazi miješanih oksida ili fosfata sve više koriste kao katodni materijali. Pokazalo se da se najbolje performanse baterije postižu s mješovitim oksidnim katodama. Osvajaju se i tehnologije prevlačenja katodnih površina fino dispergiranim oksidima.

Dizajn Li-ion baterije

Strukturno, Li-ion baterije, kao i alkalne baterije (Ni-Cd, Ni-MH), proizvode se u cilindričnoj i prizmatičnoj izvedbi. Kod cilindričnih baterija smotani paket elektroda i separatora smješten je u čelično ili aluminijsko kućište na koje je spojena negativna elektroda. Pozitivni pol baterije se kroz izolator izvodi na poklopac (slika 1). Prizmatične baterije izrađuju se slaganjem pravokutnih ploča jedna na drugu. Prizmatične baterije osiguravaju čvršće pakiranje unutar baterije, ali je teže održavati tlačne sile na elektrodama od cilindričnih baterija. Neke prizmatične baterije koriste valjkasti sklop paketa elektroda, koji je upleten u eliptičnu spiralu (slika 2). To vam omogućuje da kombinirate prednosti dviju gore opisanih modifikacija dizajna.

Slika 1 Dizajn cilindrične Li-Ion baterije.

sl.2. Uređaj prizmatične litij-ionske (Li-ion) baterije s namotanim elektrodama.

Obično se poduzimaju neke projektne mjere kako bi se spriječilo brzo zagrijavanje i osigurao siguran rad Li-ion baterija. Ispod poklopca akumulatora nalazi se uređaj koji na pozitivni temperaturni koeficijent reagira povećanjem otpora, te drugi koji prekida električnu vezu između katode i pozitivnog pola kada se tlak plina unutar akumulatora poveća iznad dopuštene granice.

Za povećanje sigurnosti rada Li-ion baterija potrebna je i vanjska elektronička zaštita u sklopu baterije čija je svrha spriječiti mogućnost prekomjernog punjenja i pražnjenja svake baterije, kratkog spoja i prekomjernog zagrijavanja.
Većina Li-ion baterija proizvodi se u prizmatičnim verzijama, budući da je glavna namjena Li-ion baterija napajanje mobitela i prijenosnih računala. Dizajn prizmatičnih baterija u pravilu nije unificiran i većina proizvođača mobitela, prijenosnih računala i sl. ne dopušta korištenje baterija drugih proizvođača u uređajima.

Karakteristike Li-ion baterija.

Moderne Li-ion baterije imaju visoke specifične karakteristike: 100-180 Wh/kg i 250-400 Wh/l. Radni napon - 3,5-3,7 V.
Ako su prije nekoliko godina programeri smatrali da dostižni kapacitet Li-ion baterija nije veći od nekoliko amper-sati, sada je većina razloga koji ograničavaju povećanje kapaciteta prevladana i mnogi su proizvođači počeli proizvoditi baterije s kapacitetom od stotine amper-sati.
Moderne male baterije rade pri strujama pražnjenja do 2 C, snažne - do 10-20 C. Raspon radne temperature: od -20 do +60 °C. Međutim, mnogi su proizvođači već razvili baterije koje rade na -40 °C. Moguće je proširiti temperaturni raspon na više temperature.
Samopražnjenje Li-ion baterija je 4-6% u prvom mjesecu, zatim je znatno manje: u 12 mjeseci baterije gube 10-20% svog pohranjenog kapaciteta. Gubitak kapaciteta litij-ionskih baterija je nekoliko puta manji nego kod nikl-kadmijskih baterija, kako na 20°C tako i na 40°C. Resurs: 500-1000 ciklusa.

Punite Li-ion baterije.

Li-ion baterije se pune u kombiniranom načinu rada: prvo pri konstantnoj struji (u rasponu od 0,2 C do 1 C) do napona od 4,1-4,2 V (ovisno o preporukama proizvođača), zatim pri konstantnom naponu. Prva faza punjenja može trajati oko 40 minuta, druga faza duže. Brže punjenje može se postići pulsnim načinom rada.
U početnom razdoblju, kada su se prvi put pojavile Li-ion baterije koje koriste grafitni sustav, zahtijevalo se ograničenje napona punjenja od 4,1 V po ćeliji. Iako korištenje viših napona omogućuje veću gustoću energije, reakcije oksidacije koje su se dogodile u tim vrstama ćelija pri naponima većim od praga od 4,1 V dovele su do smanjenja njihovog radnog vijeka. S vremenom je ovaj nedostatak eliminiran upotrebom kemijskih dodataka, a trenutno se Li-ion ćelije mogu puniti do napona od 4,20 V. Tolerancija napona je samo oko ±0,05 V po ćeliji.
Li-ionske baterije za industrijsku i vojnu uporabu moraju imati dulji vijek trajanja od baterija za komercijalnu uporabu. Stoga je za njih prag napona na kraju punjenja 3,90 V po ćeliji. Iako je energetska gustoća (kWh/kg) takvih baterija niža, produženi radni vijek uz malu veličinu, malu težinu i veću gustoću energije u usporedbi s drugim vrstama baterija čini Li-ion baterije bez premca.
Pri punjenju Li-ion baterija strujom od 1 C, vrijeme punjenja je 2-3 sata. Li-ion baterija dostiže stanje pune napunjenosti kada napon na njoj postane jednak graničnom naponu, a struja se smanji značajno i iznosi približno 3% početne struje punjenja (slika 3).

sl.3. Ovisnost napona i struje o vremenu pri punjenju litij-ionske (Li-ion) baterije

Ako slika 3 prikazuje tipični grafikon napunjenosti jedne od vrsta Li-ion baterija, onda slika 4 jasnije prikazuje proces punjenja. Kada se struja punjenja Li-ion baterije poveća, vrijeme punjenja se ne smanjuje značajno. Iako napon baterije raste brže pri većim strujama punjenja, faza punjenja nakon završetka prve faze ciklusa punjenja traje dulje.
Nekim vrstama punjača potrebno je 1 sat ili manje za punjenje litij-ionske baterije. U takvim punjačima faza 2 je eliminirana, a baterija prelazi u stanje pripravnosti odmah nakon završetka faze 1. U ovom trenutku Li-ion baterija će biti napunjena približno 70%, a nakon toga je moguće dodatno punjenje.

sl.4. Ovisnost napona i struje o vremenu pri punjenju Li-ion baterije.

• STUPANJ 1 - Najveća dopuštena struja punjenja teče kroz bateriju sve dok napon na njoj ne dosegne graničnu vrijednost.
• 2. FAZA - Dosegnut je maksimalni napon baterije, struja punjenja se postupno smanjuje dok se potpuno ne napuni. Trenutak završetka punjenja nastupa kada se vrijednost struje punjenja smanji na vrijednost od 3% početne vrijednosti.
• FAZA 3 - Periodično kompenzacijsko punjenje koje se provodi tijekom skladištenja baterije, otprilike svakih 500 sati skladištenja.

Stupanj kapajućeg punjenja nije primjenjiv za Li-ion baterije zbog činjenice da ne mogu apsorbirati energiju kada se ponovno pune. Štoviše, kratkotrajno punjenje može uzrokovati metalizaciju litija, što bateriju čini nestabilnom. Naprotiv, kratkotrajno punjenje istosmjernom strujom može kompenzirati malo samopražnjenje Li-ion baterije i nadoknaditi gubitke energije uzrokovane radom njezinog zaštitnog uređaja. Ovisno o vrsti punjača i stupnju samopražnjenja Li-ion baterije, takvo punjenje može se vršiti svakih 500 sati ili 20 dana. Obično se to treba učiniti kada napon otvorenog kruga padne na 4,05 V/ćeliji i prestaje kada dosegne 4,20 V/ćeliji.
Dakle, Li-ion baterije imaju nisku otpornost na prepunjavanje. Na negativnoj elektrodi na površini ugljične matrice, uz značajno ponovno punjenje, postaje moguće taložiti metalni litij (u obliku fino usitnjenog mahovinastog sedimenta), koji ima visoku reaktivnost na elektrolit, a aktivni evolucija kisika počinje na katodi. Postoji opasnost od toplinskog odlaska, povećanog tlaka i depresurizacije. Stoga se Li-ion baterije mogu puniti samo do napona koji preporučuje proizvođač. S povećanim naponom punjenja smanjuje se vijek trajanja baterije.
Sigurnom radu Li-ion baterija mora se posvetiti ozbiljna pozornost. Komercijalne Li-ion baterije imaju posebne zaštitne uređaje koji sprječavaju da napon punjenja prijeđe određenu graničnu vrijednost. Dodatni zaštitni element osigurava da je punjenje dovršeno ako temperatura baterije dosegne 90 °C. Najnaprednije baterije u dizajnu imaju još jedan element zaštite - mehanički prekidač, koji se aktivira kada se poveća unutarnji tlak baterije. Ugrađeni sustav kontrole napona konfiguriran je za dva granična napona - gornji i donji.
Postoje iznimke - Li-ion baterije, u kojima uopće nema zaštitnih uređaja. Ovo su punjive baterije koje sadrže mangan. Zahvaljujući njegovoj prisutnosti, tijekom punjenja, reakcije metalizacije anode i oslobađanja kisika na katodi odvijaju se tako sporo da je postalo moguće odustati od upotrebe zaštitnih uređaja.

Sigurnost Li-ion baterija.

Sve litijeve baterije karakterizira prilično dobro očuvanje. Gubitak kapaciteta zbog samopražnjenja je 5-10% godišnje.
Navedene brojke treba smatrati nekim nominalnim smjernicama. Za svaku specifičnu bateriju, na primjer, napon pražnjenja ovisi o struji pražnjenja, razini pražnjenja, temperaturi; resurs ovisi o načinima (strujama) pražnjenja i punjenja, temperaturi i dubini pražnjenja; raspon radnih temperatura ovisi o razini životnog vijeka, dopuštenim radnim naponima itd.
Nedostaci Li-ion baterija su osjetljivost na prekomjerno punjenje i prekomjerno pražnjenje, zbog čega moraju imati limitatore punjenja i pražnjenja.
Tipična vrsta karakteristika pražnjenja Li-ionskih baterija prikazana je na slici. 5 i 6. Iz slika je jasno da s povećanjem struje pražnjenja, kapacitet pražnjenja baterije malo opada, ali radni napon opada. Isti se učinak javlja kod pražnjenja na temperaturi ispod 10 °C. Osim toga, pri niskim temperaturama dolazi do početnog pada napona.

sl.5. Karakteristike pražnjenja Li-ion baterije pri različitim strujama.

sl.6. Karakteristike pražnjenja Li-ion baterije pri različitim temperaturama.

Što se općenito tiče rada Li-ion baterija, uzimajući u obzir sve strukturne i kemijske metode zaštite baterija od pregrijavanja i već uvriježenu ideju o potrebi vanjske elektroničke zaštite baterija od prekomjernog punjenja i pražnjenja, problem sigurnost rada Li-ion baterija može se smatrati riješenom. A novi katodni materijali često pružaju još veću toplinsku stabilnost za Li-ion baterije.

Sigurnost Li-ion baterija.

Prilikom razvoja litijevih i litij-ionskih baterija, kao i tijekom razvoja primarnih litijevih ćelija, posebna se pozornost pridavala sigurnosti skladištenja i korištenja. Sve baterije su zaštićene od unutarnjeg kratkog spoja (au nekim slučajevima i od vanjskog kratkog spoja). Učinkovit način takve zaštite je korištenje dvoslojnog separatora, od kojih jedan od slojeva nije izrađen od polipropilena, već od materijala sličnog polietilenu. U slučajevima kratkog spoja (primjerice, zbog rasta litijevih dendrita na pozitivnu elektrodu), zbog lokalnog zagrijavanja, ovaj separacijski sloj se topi i postaje neprobojan, čime se sprječava daljnji rast dendrita.

Uređaji za zaštitu Li-ion baterija.

Komercijalne Li-ion baterije imaju najnapredniju zaštitu od svih vrsta baterija. U pravilu, zaštitni krug Li-ion baterije koristi sklopku tranzistora s efektom polja, koja se otvara kada napon ćelije baterije dosegne 4,30 V i time prekida proces punjenja. Osim toga, postojeći toplinski osigurač, kada se baterija zagrije na 90 °C, odvaja strujni krug opterećenja, čime se osigurava njezina toplinska zaštita. Ali to nije sve. Neke baterije imaju prekidač koji se aktivira kada se dosegne granična razina tlaka unutar kućišta, jednaka 1034 kPa (10,5 kg/m2), i prekida krug opterećenja. Tu je i zaštitni krug od dubokog pražnjenja koji prati napon baterije i prekida strujni krug opterećenja ako napon padne na 2,5 V po ćeliji.
Unutarnji otpor kruga zaštite baterije mobilnog telefona kada je uključen je 0,05-0,1 Ohm. Strukturno, sastoji se od dva ključa spojena u seriju. Jedan od njih se aktivira kada gornji, a drugi dosegne donji prag napona na bateriji. Ukupni otpor ovih ključeva učinkovito udvostručuje njihov unutarnji otpor, posebno ako se baterija sastoji od samo jedne ćelije. Baterije mobilnih telefona moraju pružati visoke struje opterećenja, što je moguće uz što manji unutarnji otpor baterije. Dakle, zaštitni krug predstavlja prepreku koja ograničava radnu struju Li-ion baterije.
U nekim vrstama Li-ion baterija koje koriste mangan u svom kemijskom sastavu i sastoje se od 1-2 elementa, zaštitni krug se ne koristi. Umjesto toga, imaju samo jedan osigurač. A takve baterije su sigurne zbog male veličine i malog kapaciteta. Osim toga, mangan je prilično tolerantan na kršenja pravila rada Li-ion baterija. Nedostatak zaštitnog kruga smanjuje cijenu Li-ion baterije, ali donosi nove probleme.
Konkretno, korisnici mobilnih telefona mogu koristiti nestandardne punjače za punjenje svojih baterija. Kada koristite jeftine punjače dizajnirane za punjenje iz električne mreže ili iz mreže u vozilu, možete biti sigurni da će se baterija, ako ima zaštitni krug, isključiti kada se postigne kraj napona punjenja. Ako nema zaštitnog kruga, baterija će se prepuniti i, kao rezultat toga, nepovratno će otkazati. Ovaj proces obično prati pojačano zagrijavanje i bubrenje kućišta baterije.

Mehanizmi koji dovode do smanjenja kapaciteta Li-ion baterija

Kod cikliranja Li-ion baterija, među mogućim mehanizmima smanjenja kapaciteta najčešće se razmatraju sljedeći:
- razaranje kristalne strukture materijala katode (osobito LiMn2O4);
- raslojavanje grafita;
- nakupljanje pasivizirajućeg filma na obje elektrode, što dovodi do smanjenja aktivne površine elektroda i začepljenja malih pora;
- taloženje metalnog litija;
- mehaničke promjene u strukturi elektrode kao rezultat volumetrijskih vibracija aktivnog materijala tijekom ciklusa.
Istraživači se ne slažu oko toga koja elektroda prolazi kroz najviše promjena tijekom vožnje. To ovisi io prirodi odabranih materijala elektroda io njihovoj čistoći. Stoga je za Li-ion baterije moguće opisati samo kvalitativnu promjenu njihovih električnih i radnih parametara tijekom rada.
Tipično, radni vijek komercijalnih Li-ion baterija prije nego što se kapacitet pražnjenja smanji za 20% iznosi 500-1000 ciklusa, ali značajno ovisi o vrijednosti maksimalnog napona punjenja (slika 7). Kako se dubina ciklusa smanjuje, životni vijek se povećava. Uočeno povećanje životnog vijeka povezano je sa smanjenjem mehaničkih naprezanja uzrokovanih promjenama volumena implantacijskih elektroda, koje ovise o stupnju njihove napunjenosti.

sl.7. Promjena kapaciteta Li-ion baterije pri različitim maksimalnim naponima punjenja

Povećanje radne temperature (unutar radnog raspona) može povećati brzinu sporednih procesa koji utječu na sučelje elektroda-elektrolit i blago povećati stopu smanjenja kapaciteta pražnjenja s ciklusima.

Zaključak.

Kao rezultat potrage za najboljim materijalom za katodu, moderne Li-ion baterije pretvaraju se u cijelu obitelj kemijskih izvora struje koji se značajno razlikuju jedni od drugih u energetskom kapacitetu i parametrima načina punjenja/pražnjenja. To pak zahtijeva značajno povećanje inteligencije upravljačkih krugova, koji su sada postali sastavni dio baterija i uređaja s napajanjem - u protivnom je moguće oštećenje (uključujući i nepopravljivo oštećenje) i baterija i uređaja. Zadatak je dodatno kompliciran činjenicom da programeri pokušavaju maksimalno iskoristiti energiju baterije, postižući produljeni životni vijek baterije dok minimiziraju volumen i težinu koju zauzima izvor napajanja. To vam omogućuje postizanje značajnih konkurentskih prednosti. Prema D. Hickoku, potpredsjedniku mobilnih energetskih komponenti u Texas Instruments, kada se koriste katode izrađene od novih materijala, razvijači baterija ne postižu odmah isti dizajn i karakteristike performansi kao u slučaju tradicionalnijih katoda. Kao rezultat toga, nove baterije često imaju značajna ograničenja radnih uvjeta. Štoviše, u posljednje vrijeme uz tradicionalne proizvođače punjivih ćelija i baterija - Sanyo, Panasonic i Sony - na tržište se vrlo aktivno probijaju i novi proizvođači, uglavnom iz Kine. Za razliku od tradicionalnih proizvođača, oni isporučuju proizvode sa znatno većim rasponom parametara unutar jedne tehnologije ili čak jedne serije. To je zbog njihove želje da se natječu prvenstveno kroz niske cijene proizvoda, što često rezultira uštedama na usklađenosti procesa.
Dakle, trenutno je važnost informacija koje pruža tzv. "pametne baterije": identifikaciju baterije, temperaturu baterije, preostalo punjenje i dopušteni prenapon. Prema Hickoku, ako programeri standardnih uređaja dizajniraju energetski podsustav koji uzima u obzir i radne uvjete i parametre ćelije, to će eliminirati razlike u parametrima baterije i povećati stupanj slobode za krajnje korisnike, što će im dati priliku odabrati ne samo uređaje koje preporučuje proizvođač, već i baterije drugih tvrtki.