Li-ion baterie: nabíjení, výroba a skladování

Lithium-iontové baterie (Li-ion) jsou dnes jedny z nejrozšířenějších. Fotoaparáty, chytré telefony, videokamery, elektrické nářadí jsou jen malou částí seznamu položek, které tento zdroj energie využívají. Jedná se o jeden z nejnovějších typů baterií (první byl uveden na trh v roce 1991) a v roce 2019 za jeho vynález dostali tři vědci Nobelovu cenu.

Přestože jsou lithium-iontové baterie nejběžnější, nelze je nazvat ideálními, mají nejen klady, ale i zápory. Další věcí je, že neexistují žádné alternativy, což určuje jejich široké použití. V našem článku budeme podrobně analyzovat jejich strukturu, klady, zápory, provozní vlastnosti a další důležité nuance.

Princip činnosti a zařízení

Níže na obrázku můžete vidět strukturu lithium-iontové baterie. Má dva typy elektrod: katody na hliníkové fólii a anody na mědi, které jsou odděleny porézním separátorem, který je zase napuštěn elektrolytem. Náboj je nesen ionty lithia, které mohou být zabudovány do krystalových mřížek jiných materiálů, tvořících chemické vazby.

Zjednodušeně řečeno, při přivedení napětí na elektrody se ionty lithia pohybují z lithiové katody na uhlíkovou katodu, což je doprovázeno chemickou reakcí a při zatížení (tedy při nabíjení) dochází k opačnému procesu. .

Bohužel při nabíjení se záporná elektroda plně neobnoví, navíc se postupně hromadí produkty oxidace, takže Li-ion baterie postupně ztrácí kapacitu a nedá se s tím nic dělat. Zvláště dobře je to vidět na příkladu smartphonů, které na samém začátku provozu dokážou pracovat 10 hodin v aktivním režimu a po roce až dvou lze tuto hodnotu velmi výrazně snížit. V praxi se má za to, že při poklesu kapacity o 30-35% je životní cyklus lithium-iontové baterie ukončen a je třeba ji vyměnit.

Konstrukce lithium-iontové baterie zahrnuje použití desky, která řídí nabíjení (to je nutné). O nabíjení však budeme mluvit samostatně: existuje speciální proces. Všimli jsme si také, že jako katodové materiály se dnes používají různé sloučeniny: ferofosfát lithný, spinel lithium mangan, kobalt lithný.

Výhody

Mezi hlavní výhody patří následující parametry:

• Velmi vysoká hustota energie (poměr mAh k objemu);
• Vysoký proud během provozu;
• Není nutná žádná údržba;
• Samovybíjení je velmi nízké;
• Připraveno k použití kdykoli;
• Žádný paměťový efekt;
• Schopnost vytvářet baterie jakékoli velikosti a tvaru;
• Rozsah provozních teplot je velmi široký.

Každá z výhod určuje použití lithium-iontových baterií v té či oné oblasti. Například jejich vysoká hustota energie z nich dělá prakticky jediný zdroj energie pro kompaktní zařízení.

Omezení

Seznam nevýhod lithium-iontových baterií je kratší, ale stále existují některé důležité body. Všimněte si, že některé funkce podrobně probereme v další části, protože jsou velmi důležité.

• Drahé (ve srovnání s jinými bateriemi);
• Při vysokých teplotách se výkon zhoršuje při nízkých teplotách, kapacita klesá, i když rozsah je stále široký;
• Životnost závisí na době používání;
• Nebezpečí výbuchu nebo požáru;
• Ne největší počet cyklů nabíjení a vybíjení;
• Mechanické poškození je nepřijatelné;
• Vyžadují přísné dodržování pravidel zpoplatnění a dalších provozních požadavků.

Vlastnosti lithium-iontových baterií.

Některé výhody a nevýhody, stejně jako vlastnosti lithium-iontových baterií, by měly být projednány samostatně. Předně ty, které mají zásadní vliv na chod a životnost baterie.

Nebezpečí výbuchu a požáru

To je považováno za jeden z klíčových problémů. Proto je zakázáno je přepravovat v zavazadlech v letadlech. V tuto chvíli je však nebezpečí přehnané (i když v případě letectví je lepší být v bezpečí a zde má zákaz smysl). Lithium-iontové baterie první generace, kde byla anoda vyrobena z lithia, často explodovaly. Po cyklech nabíjení a vybíjení se na něm vytvořily dendrity, což vedlo ke zkratu, který způsobil požár nebo výbuch. Materiál anody byl nahrazen grafitem a tato nevýhoda byla odstraněna.

Dnes se to stává zřídka, ale v médiích můžete často vidět zprávy o explozi smartphonů atd. Důvodů může být mnoho, nejčastěji se však jedná o mechanické poškození, nekvalitní baterie, zkraty uvnitř baterie (tento problém není zcela odstraněn). V současnosti je nejnebezpečnější složkou elektrolyt, který se při zvýšení teploty může rozložit na hořlavé materiály.

V zásadě platí, že při použití kvalitní lithium-iontové baterie a dodržení všech provozních pravidel je pravděpodobnost výbuchu nebo požáru extrémně nízká. Je to jako zasažení bleskem: nikdo není imunní, ale stává se to velmi zřídka.

Promluvme si samostatně o dušení. Při spalování dochází k nekonvenčním chemickým reakcím, takže lithium-iontová baterie může hořet i bez kyslíku. Kromě toho může lithium při kontaktu s vodou vytvářet vodík. Pokud lze malou baterii uhasit vodou, pak v případě velkých (například v elektromobilech) to bude neúčinný způsob hašení.

Paměťový efekt

Mezi výhody lithium-iontových baterií tradičně patří absence paměťového efektu, zejména ve srovnání s nikl-kadmiovými bateriemi. Nedávný výzkum však ukázal, že se jedná o chybu, ale účinek je tak malý, že jej lze ignorovat.

Je to všechno o iontech lithia, které při neúplném nabití ztrácejí své vlastnosti. Část z nich zůstává na katodě, přechází do hraničního stavu. To znamená, že se skutečně přiblížili k bariéře osvobození, ale nepřekonali ji. Proto se při nabíjení, kdy se volné ionty snaží vrátit na své místo, setkávají s těmi, které jsou v hraničním stavu a tím se proces stává složitějším a mění se struktura elektrody. Existují určité návrhy, jak se tohoto efektu zbavit, ale, opakujeme, je to bezvýznamné.

Nabíjení a vybíjení Li-ion baterie

Výše jsme psali, že tyto baterie využívají ovladač, který automaticky reguluje nabíjení. To je kritické, protože při zvýšení napětí může dojít k degradaci baterie. Normální nabíjení probíhá následovně:

• V první fázi se používá malý proud do 2,9 V (se silným výbojem);
• Jmenovitý proud, napětí do 4,2 V;
• V konečné fázi je napětí také 4,2 V, ale proud je minimální.

Běžný uživatel to v zásadě nemusí vědět, ovladače a nabíječky tyto režimy podporují automaticky. Toto schéma je standardní a v moderních zařízeních je poskytováno automaticky.

Pokud jde o hluboké vypouštění, existuje velmi jasný názor: nemělo by být povoleno. V ideálním případě není nutné baterii vybíjet pod 20 %, výrazně se tím prodlouží její životnost. Jednoduchý příklad: pokud se lithium-iontová baterie pravidelně vybíjí na 100 %, pak její počet cyklů vybití a nabití bude asi 500, a pokud jen o 10 %, pak 4500 nebo více. To znamená, že rozdíl bude 9krát.

Zde hodně záleží na typu zařízení, ve kterém je baterie použita. U smartphonu nebo elektrického nářadí se samozřejmě nabíjení na úrovni dokonce 70-80 % kapacity baterie zdá být nemožné; Povolení vybití pod 20 % by však mělo být provedeno pouze jako poslední možnost, což skutečně výrazně prodlužuje životnost baterie.

Čtěte také: Jak správně nabíjet lithium-iontové baterie

Старение

Tento typ baterie podléhá procesu stárnutí, což je poměrně vážná nevýhoda. Z tohoto pohledu nemá smysl kupovat baterie „do zálohy“ a dlouhodobě je skladovat, ale nepoužívat. Pokud tedy kupujete lithium-iontovou baterii samostatně, měli byste věnovat velkou pozornost datu výroby. Naprostá většina nemůže sloužit déle než pět let (průměr).

Kromě toho mají na dobu skladování významný vliv také podmínky skladování. Optimální podmínky: 40% nabití, teplota od 0 do +10 stupňů Celsia. A životnost až 5 let znamená snížení kapacity na 80 % nominální úrovně.

Originální a ne originální

Lithium-iontové baterie vyrábí mnoho společností a každý viděl obrázek, kdy baterie od výrobce zařízení stojí mnohem více než analogová. V tomto případě může být kapacita stejná. Vyplatí se šetřit? Otázka je složitá a závisí na konkrétním zařízení, ve kterém je baterie použita.

Podívejme se na příklad smartphonů. Výše jsme psali, že při nabíjení se používá ovladač, který se ale v případě smartphonů nenachází v baterii, ale v telefonu samotném. Tedy všechny funkce, které by měly zajistit efektivní provoz, jsou delegovány na samotné zařízení. Toto bylo provedeno záměrně, tento přístup vytváří zpočátku horší podmínky pro neoriginální baterie.

Existují ale zařízení (například elektrické nářadí, některé notebooky), kde tento problém není relevantní a žádný rozdíl nepoznáte. Představa, že „levné čínské lithium-iontové baterie jsou špatné“, je proto částečně mýtus. Ano, existují nekvalitní produkty, ale často je pokles výkonu způsoben faktory, které výrobce baterie nemůže ovlivnit.

Teplota použití

U většiny lithium-iontových baterií je provozní teplota v rozmezí od -20 do +50 stupňů. Přehřátí a podchlazení nejsou povoleny. Nepřijatelné je také nabíjení při nízkých teplotách. S klesající teplotou se také snižuje kapacita. Při záporných teplotách může baterie ztratit až 50 % své kapacity, to znamená, že se vybije dvakrát rychleji.

Existují baterie s vnitřním ohřevem (pokud je myšlen provoz při velmi nízkých teplotách) a některá zařízení samotná mohou při provozu sloužit jako topení, což poněkud rozšiřuje rozsah hodnot. Nejlepší teplota pro provoz lithium-iontových baterií je +20 stupňů. Změny, pozitivní i negativní, negativně ovlivňují kapacitu a zdroje.

Čtěte také: provozní řád pro lithium-iontové baterie.

Vlastnosti

Vlastnosti mohou záviset na typu baterie, chemickém složení jejích součástí a mohou se lišit v určitých mezích.

• Energetická náročnost: od 110 do 280 Wh/kg;
• Počet nabíjecích a vybíjecích cyklů při 80% kapacitě: 600-700;
• Hodnota vnitřního odporu: od 4 do 15 mOhm/Ah;
• Napětí jednoho prvku: od 2,5 V do 4,2 V;
• Samovybíjení: závisí na teplotě a stavu nabití. Při 100% nabití a optimální teplotě – asi 1,5 % za měsíc;
• Rychlé nabíjení: asi 60 minut.

Toto jsou základní rozsahy hodnot. Mezi bateriemi různých tvarů mohou existovat určité rozdíly, například napětí 1,5 V (AA a AAA), ale zde hovoříme o stabilizovaném výstupním napětí, které nezávisí na napětí v samotných článcích.

Obnova baterie

Mohou nastat dvě situace, kdy lithium-iontová baterie může vyžadovat obnovu:

1. Baterie funguje, ale velmi rychle se vybíjí;
2. Je zcela vybitý, ale nabíjení nefunguje.

V prvním případě mluvíme o přirozené ztrátě kapacity a s tím se nedá nic dělat. Ani teoreticky neexistuje způsob, jak obnovit nominální kapacitu lithiové baterie. V druhém případě lze něco udělat na internetu, kde najdete velmi podrobné pokyny pro obnovu v tomto případě.

Nejčastěji k tomu dochází v důsledku hlubokého vybití, dlouhodobého nepoužívání baterie (když je vybitá) nebo po vystavení velmi nízkým teplotám. Problém je zde s nabíječkami, které mají pocit, že napětí na baterii je příliš nízké, a proto brání protékání proudu. To se děje z nějakého důvodu, cílem je bezpečnost. Je to tak, že nabíječka si mylně „myslí“, že je uvnitř zkrat nebo jiné problémy, a v takových situacích je prostě nebezpečné ji nabíjet. To znamená, že se jedná o bezpečnostní problém.

S tímto problémem obnovení baterie zahrnuje oklamání nabíječky. Můžete si například vzít jinou nabíječku, která není tak „chytrá“. V tomto případě je však nutné omezit maximální proud. Zde nebudeme psát dlouhé a podrobné pokyny, můžete je snadno najít sami, jen jsme poznamenali, že je možné obnovit lithium-iontovou baterii.

Často kladené dotazy

V závěrečné části rozebereme nejčastější otázky týkající se lithiových baterií a podrobně na ně odpovíme.

Existují nějaké alternativy k lithium-iontovým bateriím?

Aktuálně ne. Můžeme říci, že tato technologie je vrcholem vývoje chemických baterií. Teoreticky (a prakticky) existují alternativy, ale ty jsou buď příliš drahé, nízkoproudé, nebo impozantní velikostí. Je zřejmé, že dokud nedojde k průlomu v technologii, nebude existovat žádná rozumná alternativa.

Lze vyměnit jiné typy baterií za lithiové?

Ano, je to možné a nevyžaduje speciální znalosti ani rozsáhlé zkušenosti. Nejčastěji se výměna provádí u elektrického nářadí, kde se mění z nikl-kadmiového na lithium-iontové. Ty jsou dražší, ale jejich vlastnosti jsou lepší. Nejčastěji se přestavují šroubováky a další podobné akumulátorové elektrické nářadí.

Jak recyklovat?

Lithiové baterie se nejčastěji jednoduše vyhodí, zvláště pokud mluvíme o velmi malých, o kterých nikdo ani neuvažuje o recyklaci. Kromě toho v Rusku existuje velmi málo podniků, které se zabývají tímto typem baterií. Samozřejmě není správné je vyhodit, ale bohužel často není jiná možnost.

Jsou kadmiové baterie lepší než lithiové? Nebo naopak?

Tato otázka není úplně správná. Bez upřesnění charakteristik, na kterých záleží, na to nelze odpovědět. Někde bude lepší jeden typ, někde úplně jiný. Všechny mají své pro a proti, takže nelze říci, který je lepší.

Je pravda, že čínské lithium-iontové baterie jsou špatné?

Pojďme prozradit tajemství: většina lithiových baterií se vyrábí v Číně. V tomto případě nejde o místo výroby, ale o kontrolu kvality. Ty, které stojí výrazně méně než jejich analogy, budou mít samozřejmě horší vlastnosti, takže úspora nebude mít žádný přínos. Existuje určitá cena, která je určena výrobními náklady, její snížení automaticky snižuje vlastnosti;

Pozor: pokud jste si zakoupili elektrické vozidlo, je velmi důležité baterii správně udržovat a skladovat. Nebuďte příliš líní přečíst si tato pravidla pro dobíjecí Li-ion baterie.

Skladování:

• Doporučená skladovací teplota pro většinu baterií je 0°C -20°C; extrémní přípustná teplota -40°C až 50°C v extrémních mezích způsobujících velké nevratné ztráty kapacity. Baterie vyrobené z lithiových článků musí být skladovány s minimálně 40procentním nabitím. To minimalizuje degradaci anody a katody, udržuje baterii připravenou k použití a zároveň ponechává možnost samovybíjení.

Příklad:

o Lithium-iontová baterie se jmenovitým napětím 36 voltů musí být nabita na 38 voltů, zatímco při nabíjení by měla vydávat 42 voltů.

o 48 V – musí být nabito na 49,5 V, nabité by mělo produkovat 54,6 V.

o Vezměte prosím na vědomí, že 40 % stavu nabití se používá pro skladování a 30 % pro přepravu.

• Čím blíže je skladovací teplota 0 stupňům, tím menší je nevratná ztráta kapacity.
• Baterie musí být skladovány odpojené od spotřebičů na suchém a chladném místě.
• Je nutné udržovat stav nabití na dané úrovni a pravidelně jej kontrolovat. Kontrola a záznam napětí by se měl provádět alespoň jednou za 2 měsíce.
• Pokud za 2 měsíce pokleslo napětí u 3V baterie a méně o 36 V (tj. o 0,3 V na článek), je nutné ji jednou za měsíc zkontrolovat. Pokud trend poklesu napětí pokračuje, odneste baterii do servisního střediska.

Ovladač baterie:

• Chod baterie je regulován speciálním ovladačem – BMS, který je při výrobě namontován uvnitř bateriového pouzdra.
• BMS (BMS-Battery Management System) je navržen tak, aby monitoroval vybíjení a nabíjení baterie a vyrovnával prvky mezi sebou. Během procesu vybíjení a nabíjení se BMS regulátor může zahřát v rozumných mezích (30-45 C).
• BMS chrání baterii před přebíjením a přebíjením.

Varování:

• S baterií zacházejte opatrně, vyhněte se silným vibracím a nárazům a zabraňte vniknutí kapaliny dovnitř.
• Nezkratujte kladný a záporný pól na napájecím i nabíjecím vodiči, aby nedošlo ke zkratování baterie a poškození nabíjecích nebo vybíjecích jednotek ovladače BMS. Na tento případ se nevztahuje záruka.
• Dávejte pozor, abyste nepoškodili články, protože to může způsobit zkrat a ztrátu kapacity. Kromě toho může elektrolyt v článcích poškodit lidské zdraví.
• Nenechávejte baterii na slunci nebo v blízkosti topných zařízení, skladování při vysokých teplotách způsobuje ztrátu kapacity článků.
• Pokud je baterie poškozená, zdeformovaná, vytéká nebo se během provozu nadměrně zahřívá, okamžitě ji přestaňte používat. Poraďte se se svým prodejcem nebo výrobcem. Uchovávejte baterii na nehořlavém materiálu, dokud nebude odeslána do servisního střediska.

Nabíječka:

• Pokud se během provozu napájení z baterie zastaví, znamená to, že je vybitá. Chcete-li ji nabít, nejprve připojte nabíječku (nabíječku) do zásuvky 220V, poté připojte baterii k nabíječce (ne naopak!).
• Po dokončení nabíjení je možná fáze vyvažování. Při vyvažování se nabíječka zapíná a vypíná, je třeba ještě chvíli ponechat baterii a nabíječku, poté nabíječku od baterie odpojit. Nenechávejte nabíjení baterie po dlouhou dobu bez dozoru.

Jak prodloužit výdrž baterie?

• Článek (baterie) je nezávislá jednotka, která uvnitř obsahuje kompletní chemickou reakci. Abyste jej mohli začít používat, musíte se ujistit, že články/baterie fungují za určitých podmínek, jak je popsáno v technických specifikacích. U lithiových baterií se doporučuje provoz pouze v rozsahu provozních teplot (LiFePO4 od -30 do +45). Pokud je baterie nabitá na 95-97 % a vybitá na 5-10 % zbývající kapacity, mohou se výrazně prodloužit životní cykly (počet cyklů nabití-vybití) baterie.
• Nabíjení nízkým proudem může také prodloužit životnost baterie.
• Skladování při teplotě 0-5 C také pomáhá zachovat kapacitu a prodloužit životnost baterie.

Naše slevy a speciální ceny

Zkontrolujte akční nabídky. Šetřit je fajn!