- Historia baterii litowo-jonowych
- Chemia i działanie akumulatorów litowo-jonowych
- Wprowadzenie do baterii litowo-jonowych
- Najłatwiejszy sposób korzystania z komórki 18650
- Akumulator litowo-jonowy (ogniwa połączone szeregowo i równolegle)
O ile jakiś Tony Stark nie wkroczy i nie wymyśli reaktora łukowego lub badań w satelitach energii słonecznej (SPS) nad bezprzewodowym transferem energii, my, ludzie, musimy polegać na bateriach do zasilania naszych przenośnych lub zdalnych urządzeń elektronicznych. Najpopularniejszym typem akumulatorów, które można znaleźć w elektronice użytkowej, są baterie litowo-jonowe lub litowo-polimerowe. W tym artykule naszym zainteresowaniem byłyby akumulatory litowo-jonowe, ponieważ są one bardziej przydatne niż wszystkie inne typy. Czy to mały power bank, laptop, czy coś tak dużego jak nowy Model 3 Tesli, wszystko jest zasilane baterią litowo-jonową.
Co wyróżnia te baterie? Co powinieneś o tym wiedzieć, zanim użyjesz go w swoich projektach / projektach? Jak będziesz bezpiecznie ładować lub rozładowywać te baterie? Jeśli jesteś ciekawy odpowiedzi na wszystkie te pytania, to trafiłeś na właściwy artykuł, po prostu usiądź wygodnie i przeczytaj, a ja postaram się, aby był jak najbardziej interesujący.
Historia baterii litowo-jonowych
Pomysł baterii litowo-jonowej został po raz pierwszy wymyślony przez GN Lewisa w 1912 roku, ale stał się wykonalny dopiero w latach siedemdziesiątych XX wieku, a pierwsza bateria litowa jednorazowego użytku została wprowadzona na rynki komercyjne. Później w latach 80-tych inżynierowie podjęli próbę wykonania pierwszego akumulatora z litem jako materiałem anodowym i częściowo odnieśli sukces. Nie zauważyli, że tego typu baterie litowe były niestabilne podczas procesu ładowania i spowodowałoby to zwarcie wewnątrz baterii, zwiększając temperaturę i powodując niekontrolowany wzrost temperatury.
W 1991 roku jedna taka bateria litowa używana w telefonach komórkowych eksplodowała na twarzy mężczyzny w Japonii. Dopiero po tym incydencie zdano sobie sprawę, że z akumulatorami litowo-jonowymi należy obchodzić się ze szczególną ostrożnością. Ogromna liczba tego typu baterii, które pojawiły się na rynku, została następnie wycofana przez producentów z powodu kwestii bezpieczeństwa. Później, po wielu badaniach, firma Sony wprowadziła zaawansowane akumulatory litowo-jonowe z nową chemią, która jest używana do dziś. Zakończmy tutaj lekcje historii i przyjrzyjmy się chemii baterii litowo-jonowej.
Chemia i działanie akumulatorów litowo-jonowych
Jak sama nazwa wskazuje, akumulatory litowo-jonowe wykorzystują jony litu do wykonania zadania. Lit jest bardzo lekkim metalem o dużej gęstości energii, dzięki tej właściwości bateria jest lekka i zapewnia wysoki prąd przy niewielkich rozmiarach. Gęstość energii to ilość energii, jaką można zmagazynować w jednostce objętości baterii, im wyższa gęstość energii, tym mniejsza będzie bateria. Pomimo przytłaczających właściwości litu metalicznego nie można go stosować jako elektrody bezpośrednio w akumulatorach, ponieważ lit jest bardzo niestabilny ze względu na swój metaliczny charakter. Dlatego używamy jonów litu, które mają mniej więcej takie same właściwości jak lit metaliczny, ale są niemetaliczne i są stosunkowo bezpieczniejsze w użyciu.
Zwykle anoda baterii litowej jest wykonana z węgla, a katoda baterii jest wykonana z tlenku kobaltu lub innego tlenku metalu. Elektrolit używany do łączenia tych dwóch elektrod będzie prostym roztworem soli zawierającym jony litu. Podczas rozładowywania dodatnio naładowane jony litu poruszają się w kierunku katody i bombardują ją, aż zostanie naładowana dodatnio. Ponieważ katoda jest naładowana dodatnio, przyciąga do siebie ujemnie naładowane elektrony. Te elektrony przepływają przez nasz obwód, w ten sposób zasilając obwód.
Podobnie podczas ładowania dzieje się dokładnie odwrotnie. Elektrony z ładunków wpływają do baterii, a zatem jony litu przemieszczają się w kierunku anody, powodując utratę dodatniego ładunku katody.
Wprowadzenie do baterii litowo-jonowych
Dość teorii na temat akumulatorów litowo-jonowych, teraz praktycznie zapoznajmy się z tymi ogniwami, abyśmy byli pewni, że wykorzystają je w naszych projektach. Najczęściej używaną baterią litowo-jonową są ogniwa 18650, więc omówimy to samo w tym artykule. Na poniższym obrazku pokazano typową komórkę 18650
Podobnie jak wszystkie akumulatory, akumulator litowo-jonowy ma również napięcie i pojemność. Nominalne napięcie znamionowe dla wszystkich ogniw litowych będzie wynosić 3,6 V., więc potrzebujesz wyższej specyfikacji napięcia, musisz połączyć dwa lub więcej ogniw szeregowo, aby to osiągnąć. Domyślnie wszystkie ogniwa litowo-jonowe będą miały napięcie nominalne tylko ~ 3,6 V. Napięcie to może spaść do 3,2 V po całkowitym rozładowaniu i wzrosnąć do 4,2 V po pełnym naładowaniu. Zawsze pamiętaj, że rozładowanie akumulatora poniżej 3,2 V lub ładowanie go powyżej 4,2 V spowoduje trwałe uszkodzenie akumulatora i może również stać się receptą na fajerwerki. Pozwala rozbić terminologię związaną z baterią 18650, abyśmy mogli lepiej zrozumieć. Należy pamiętać, że te wyjaśnienia mają zastosowanie tylko do pojedynczego ogniwa 18650, później dowiemy się więcej o akumulatorach litowo-jonowych, w których więcej niż jedno ogniwo jest połączone szeregowo lub równolegle, aby uzyskać znacznie wyższe wartości napięcia i prądu.
Napięcie nominalne: napięcie nominalne to rzeczywiste napięcie znamionowe ogniwa 18650. Domyślnie jest to 3,6 V i pozostanie takie samo dla wszystkich ogniw 18650, niezależnie od ich producentów.
Pełne napięcie rozładowania: ogniwo 18650 nigdy nie powinno rozładowywać się poniżej 3,2 V, w przeciwnym razie zmieni się wewnętrzna rezystancja akumulatora, co spowoduje trwałe uszkodzenie akumulatora i może również doprowadzić do wybuchu
Pełne napięcie ładowania: napięcie ładowania ogniwa litowo-jonowego wynosi 4,2 V. Należy uważać, aby napięcie ogniwa nie wzrosło w żadnym momencie o 4,2 V.
Ocena mAh: pojemność ogniwa jest zwykle podawana w mAh (milliamperogodzinach). Ta wartość będzie się różnić w zależności od rodzaju zakupionej komórki. Na przykład załóżmy, że nasza komórka ma 2000 mAh, czyli nic innego jak 2 Ah (amper / godzinę). Oznacza to, że jeśli pobieramy 2A z tej baterii, to wystarczy na 1 godzinę i podobnie jak z tej baterii 1A będzie działać przez 2 godziny. Więc jeśli chcesz wiedzieć, jak długo bateria będzie zasilać projekt (czas pracy), musisz obliczyć to za pomocą wartości mAh.
Czas pracy (w godzinach) = pobór prądu / wartość mAh
Gdzie pobór prądu powinien mieścić się w granicach oceny C.
Ocena C: Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, jaka jest maksymalna ilość prądu, jaką możesz pobrać z akumulatora, odpowiedź można uzyskać na podstawie oceny C akumulatora. Ocena C baterii zmienia się ponownie dla każdej baterii, załóżmy, że mamy baterię 2Ah z oceną 3C. Wartość 3C oznacza, że akumulator może wyprowadzać trzykrotną wartość znamionową Ah jako maksymalny prąd. W tym przypadku może dostarczać do 6A (3 * 2 = 6) jako maksymalny prąd. Zwykle ogniwa 18650 mają tylko ocenę 1C.
Maksymalny prąd pobierany z akumulatora = C Ocena * Ah Ocena
Prąd ładowania: Inną ważną specyfikacją baterii, na którą należy zwrócić uwagę, jest prąd ładowania. Tylko dlatego, że akumulator może dostarczać maksymalny prąd 6A, nie oznacza, że można go ładować z 6A. Maksymalny prąd ładowania akumulatora zostanie podany w arkuszu danych akumulatora, ponieważ różni się on w zależności od akumulatora. Zwykle będzie to 0,5 ° C, co oznacza połowę wartości oceny Ah. W przypadku akumulatora o pojemności 2 Ah prąd ładowania wyniesie 1 A (0,5 * 2 = 1).
Czas ładowania: Minimalny czas ładowania wymaganego do naładowania pojedynczego ogniwa 18650 można obliczyć na podstawie wartości prądu ładowania i wartości Ah akumulatora. Na przykład ładowanie akumulatora 2 Ah prądem ładowania 1 A zajmie około 2 godzin, zakładając, że ładowarka używa tylko metody CC do ładowania ogniwa.
Rezystancja wewnętrzna (IR): kondycję i pojemność baterii można przewidzieć, mierząc wewnętrzną rezystancję baterii. To nic innego jak wartość rezystancji pomiędzy biegunami anodowymi (dodatnimi) i katodowymi (ujemnymi) baterii. Typowa wartość IR komórki zostanie wymieniona w arkuszu danych. Im bardziej odchyla się od rzeczywistej wartości, tym mniej wydajny będzie akumulator. Wartość IR dla ogniwa 18650 będzie w zakresie miliomów i istnieją dedykowane instrumenty do pomiaru wartości IR.
Metody ładowania: Istnieje wiele metod ładowania ogniwa litowo-jonowego. Ale najczęściej używana jest topologia 3-stopniowa. Trzy kroki to CC, CV i ładowanie podtrzymujące. W trybie CC (prąd stały) ogniwo jest ładowane stałym prądem ładowania poprzez zmianę napięcia wejściowego. Ten tryb będzie aktywny, dopóki akumulator nie zostanie naładowany do określonego poziomu, a następnie CV (stałe napięcie)tryb rozpoczyna się, gdy napięcie ładowania jest zwykle utrzymywane na poziomie 4,2 V. Ostatnim trybem jest ładowanie impulsowe lub ładowanie podtrzymujące, w którym małe impulsy prądu są przekazywane do akumulatora, aby poprawić żywotność akumulatora. Istnieją również znacznie bardziej złożone ładowarki obejmujące 7-stopniowe ładowanie. Nie będziemy zagłębiać się w ten temat, ponieważ wykracza on daleko poza zakres tego artykułu. Ale jeśli chcesz wiedzieć o tym w komentarzach i czy mogę napisać osobny artykuł na temat ładowania ogniw Li-ion.
Stan naładowania (SOC)%: Stan naładowania to nic innego jak pojemność baterii, podobna do pokazanej w naszym telefonie komórkowym. Pojemności akumulatora nie można w prosty sposób obliczyć za pomocą jego zaworu napięciowego, zwykle oblicza się ją za pomocą całkowania prądu w celu określenia zmiany pojemności akumulatora w czasie.
Głębokość rozładowania (DOD)%: DOD podaje, jak daleko można rozładować baterię. Żadna bateria nie rozładuje się w 100%, ponieważ, jak wiemy, spowoduje uszkodzenie baterii. Zwykle dla wszystkich akumulatorów ustawia się 80% głębokość rozładowania.
Wymiar komórki: Kolejną unikalną i interesującą cechą komórki 18650 jest jej wymiar. Każda komórka będzie miała średnicę 18 mm i wysokość 650 mm, co oznacza, że ta komórka otrzyma nazwę 18650.
Jeśli potrzebujesz więcej definicji terminologicznych, zajrzyj do dokumentacji terminologii MIT Battery, w której na pewno znajdziesz więcej parametrów technicznych związanych z baterią.
Najłatwiejszy sposób korzystania z komórki 18650
Jeśli jesteś kompletnym nowicjuszem i dopiero zaczynasz korzystać z ogniw 18650 do zasilania projektu, najłatwiejszym sposobem byłoby użycie gotowych modułów, które mogą bezpiecznie ładować i rozładowywać ogniwa 18650. Jedynym takim modułem jest moduł TP4056, który może obsłużyć pojedyncze ogniwo 18650.
Jeśli projekt wymaga więcej niż 3,6 V jako napięcia wejściowego, możesz połączyć dwa ogniwa 18650 szeregowo, aby uzyskać napięcie 7,4 V. W takim przypadku należy użyć modułu takiego jak akumulator litowo-jonowy 2S 3A, który powinien być przydatny do bezpiecznego ładowania i rozładowywania akumulatorów.
Aby połączyć dwa lub więcej ogniw 18650, nie możemy użyć konwencjonalnej techniki lutowania do połączenia między nimi, zamiast tego stosuje się proces zwany zgrzewaniem punktowym. Również podczas łączenia ogniw 18650 szeregowo lub równolegle należy zachować ostrożność, co omówiono w następnym akapicie.
Akumulator litowo-jonowy (ogniwa połączone szeregowo i równolegle)
Aby zasilić małą przenośną elektronikę lub małe urządzenia, wystarczy jedno ogniwo 18650 lub co najwyżej para z nich szeregowo. W tego rodzaju zastosowaniach złożoność jest mniejsza, ponieważ liczba zaangażowanych baterii jest mniejsza. Ale w przypadku większych zastosowań, takich jak rower elektryczny / motorower lub samochody Tesla, będziemy musieli połączyć wiele tych ogniw szeregowo i równolegle, aby uzyskać pożądane napięcie wyjściowe i pojemność. Na przykład samochód Tesli zawiera ponad 6800 ogniw litowych o napięciu 3,7 V i 3,1 Ah. Poniższe zdjęcie pokazuje, jak jest rozmieszczone wewnątrz podwozia samochodu.
Przy tak dużej liczbie ogniw do monitorowania potrzebujemy dedykowanego obwodu, który może bezpiecznie ładować, monitorować i rozładowywać te ogniwa. Ten dedykowany system nazywa się systemem monitorowania akumulatorów (BMS). Zadaniem BMS jest monitorowanie indywidualnego napięcia każdego ogniwa litowo-jonowego, a także sprawdzanie jego temperatury. Poza tym niektóre BMS monitorują również prąd ładowania i rozładowywania systemu.
Łącząc więcej niż dwa ogniwa w pakiet, należy zwrócić uwagę, aby miały ten sam skład chemiczny, napięcie, współczynnik Ah i rezystancję wewnętrzną. Również podczas ładowania ogniw BMS dba o to, aby były one ładowane równomiernie i równomiernie rozładowywane, dzięki czemu w dowolnym momencie wszystkie akumulatory utrzymują to samo napięcie, co nazywa się równoważeniem ogniw. Oprócz tego projektant musi się też martwić o chłodzenie tych akumulatorów podczas ładowania i rozładowywania, ponieważ nie reagują one dobrze na wysokie temperatury.
Mam nadzieję, że ten artykuł dostarczył Ci wystarczająco dużo informacji, abyś mógł nabrać pewności siebie w zakresie ogniw litowo-jonowych. Jeśli masz jakieś wątpliwości, zostaw komentarz w sekcji komentarzy, a ja postaram się odpowiedzieć. Do tego czasu szczęśliwego majsterkowania.