Samenstelling van lithium-ionbatterijen. Waarom gaan lithium-ionbatterijen zo vroeg leeg?

De consumentenmarkt voor lithium-ionbatterijen (Li-ion) is enorm – ongeveer $10 miljard, maar is redelijk stabiel, met een groeipercentage van slechts 2% per jaar. Hoe zit het met elektrische auto’s, vraagt ​​u? Als gevolg van de ontwikkeling van elektrische voertuigen wordt voorspeld dat de jaarlijkse groei van lithium-ionbatterijen de komende jaren 10% zal bedragen. Verrassend genoeg blijft het grootste groeigebied voor de markt voor Li-ion-batterijen “al het andere”, van mobiele telefoons tot vorkheftrucks.

“Andere” toepassingen voor lithium-ionbatterijen hebben meestal één ding gemeen: het zijn apparaten die worden aangedreven door gesloten loodzuurbatterijen (SLA). Loodzuurbatterijen domineren al bijna 200 jaar de elektronicamarkt, maar worden al enkele jaren vervangen door lithium-ionbatterijen. Omdat lithium-ionbatterijen in veel gevallen loodzuurbatterijen (batterijen) zijn gaan vervangen, is het de moeite waard om deze twee soorten energieopslagapparaten te vergelijken, waarbij de belangrijkste technische kenmerken en economische haalbaarheid van het gebruik van Li-ion in plaats van traditionele SLA-apparaten worden benadrukt. .

Geschiedenis van het gebruik van oplaadbare batterijen

De loodzuurbatterij was de eerste oplaadbare batterij die in de jaren 1850 voor commercieel gebruik werd ontwikkeld. Ondanks hun redelijk respectabele leeftijd van meer dan 150 jaar worden ze nog steeds actief gebruikt in moderne apparaten. Bovendien worden ze actief gebruikt in toepassingen waar het heel goed mogelijk lijkt om met moderne technologieën rond te komen. Sommige veel voorkomende apparaten maken vrij actief gebruik van SKB, zoals ononderbroken stroomvoorzieningen (UPS), golfkarretjes of vorkheftrucks. Verrassend genoeg groeit de markt voor loodzuurbatterijen voor bepaalde niches en projecten nog steeds.

De eerste, tamelijk belangrijke innovatie op het gebied van loodzuurtechnologie vond plaats in de jaren zeventig, toen afgedichte SKB of onderhoudsvrije SKB werden uitgevonden. Deze modernisering bestond uit het verschijnen van speciale kleppen voor het afvoeren van gassen bij het laden/ontladen van batterijen. Bovendien maakte het gebruik van een bevochtigde afscheider het mogelijk om de batterij schuin te laten werken zonder lekkage van elektrolyt.

SKB, of Engels. SLA's worden vaak ingedeeld naar type of toepassing. Momenteel zijn de twee meest voorkomende typen gel, ook bekend als klepgeregeld loodzuur (VRLA) en absorberende glasmat AGM. AGM-batterijen worden gebruikt voor kleine UPS'en, noodverlichting en rolstoeltoepassingen, terwijl VRLA-batterijen bedoeld zijn voor toepassingen van groter formaat, zoals back-upstroom voor mobiele relaistorens, internethubs en vorkheftrucks. Loodzuuraccu's kunnen ook worden geclassificeerd op basis van de volgende criteria: auto (startmotor of SLI - starten, verlichting, ontsteking); tractie (tractie of diepe cyclus); stationair (ononderbroken voedingen). Het grootste nadeel van SLA's in al deze toepassingen is de levenscyclus: als ze herhaaldelijk worden ontladen, raken ze ernstig beschadigd.

Verrassend genoeg waren loodzuurbatterijen tientallen jaren lang de onbetwiste leiders op de batterijmarkt, tot de komst van lithium-ionbatterijen in de jaren tachtig. Een lithium-ionbatterij is een oplaadbare cel waarin lithiumionen tijdens het ontladen van een negatieve elektrode naar een positieve elektrode bewegen, en omgekeerd tijdens het opladen. Lithium-ionbatterijen gebruiken geïntercaleerde lithiumverbindingen, maar bevatten geen lithiummetaal, dat wordt gebruikt in wegwerpbatterijen.

De lithium-ionbatterij werd voor het eerst uitgevonden in de jaren zeventig. In de jaren tachtig werd de eerste commerciële versie van de batterij met een kobaltoxidekathode op de markt gebracht. Dit type apparaat had aanzienlijk meer gewicht en capaciteit vergeleken met op nikkel gebaseerde systemen. Nieuwe lithium-ionbatterijen hebben gezorgd voor een enorme groei op de markt voor mobiele telefoons en laptops. Aanvankelijk werden vanwege veiligheidsoverwegingen veiliger opties geïntroduceerd, waaronder op nikkel en mangaan gebaseerde additieven in het kobaltoxide-kathodemateriaal, naast innovaties in de celconstructie.

De eerste lithium-ioncellen die op de markt werden gebracht, bevonden zich in stijve aluminium of stalen blikken, en hadden doorgaans slechts een paar vormfactoren: cilindrisch of prismatisch (baksteenvormig). Met de uitbreiding van het scala aan toepassingen van lithium-iontechnologie begonnen hun algemene afmetingen echter te veranderen.

Er worden bijvoorbeeld goedkopere versies van oudere technologie gebruikt in laptops en mobiele telefoons. De dunne lithium-polymeercellen van vandaag worden gebruikt in smartphones, tablets en draagbare apparaten. Momenteel worden lithium-ionbatterijen gebruikt in elektrisch gereedschap, elektrische fietsen en andere apparaten. Deze variatie luidt een volledige vervanging van loodzuurapparaten in steeds meer toepassingen in, gericht op het verbeteren van de algehele omvang en vermogensprestaties.

Chemische kenmerken

De grondbeginselen van de celchemie geven loodzuur- en lithium-ion-apparaten specifieke eigenschappen en verschillende graden van functionaliteit. Hieronder staan ​​enkele van de voordelen van loodzuurbatterijen die er al tientallen jaren een basisproduct van maken en de nadelen die nu leiden tot vervanging ervan, evenals soortgelijke overwegingen voor lithium-ionapparaten.

Loodzuuraccu

• SKB is eenvoudig, betrouwbaar en goedkoop. Het kan over een breed temperatuurbereik worden gebruikt.
• Accu's moeten in laadtoestand (SoC) worden bewaard en kunnen niet snel worden opgeladen.
• SKB's zijn zwaar. Hun gravimetrische energiedichtheid is erg laag.
• De levenscyclus bedraagt ​​doorgaans 200 tot 300 ontladingen/opladen, wat erg kort is.
• De laad-/ontlaadcurve maakt SOC-metingen mogelijk met eenvoudige spanningsregeling.

Li-ion-batterij

• Ze hebben een maximale energiedichtheid in termen van grootte en gewicht.
• De levenscyclus ligt doorgaans tussen de 300 en 500, maar kan voor lithiumfosfaatcellen in de duizenden lopen;
• Het bereik van de bedrijfstemperatuur is erg klein;
• Er zijn verschillende celgroottes, vormen en andere opties beschikbaar;
• Geen onderhoud nodig. Het zelfontladingsniveau is zeer laag.
• Implementatie van operationele veiligheidsschema's is vereist. Complex oplaadalgoritme.
• SoC-metingen vereisen complexe oplossingen vanwege de niet-lineariteit van de spanningscurve.

Elektronica

Het is belangrijk om het verschil te begrijpen tussen een batterijpakket en een oplaadbare batterij. De cel is het hoofdbestanddeel van het pakket. Daarnaast omvat het pakket ook elektronica, connectoren en behuizingen. De afbeelding hierboven toont voorbeelden van deze apparaten. Een lithium-ionbatterij moet op zijn minst over celbescherming en controlecircuits beschikken, en de oplader en het spanningsdetectiesysteem zijn veel complexer dan die in loodzuurapparaten.

Bij gebruik van lithium-ion- en loodzuurbatterijen zijn de belangrijkste verschillen in de elektronica als volgt:

Oplader

Het opladen van een loodzuuraccu is vrij eenvoudig, zolang aan bepaalde spanningsdrempels wordt voldaan. Lithium-ionbatterijen gebruiken een complexer algoritme, met uitzondering van pakketten op basis van ijzerfosfaat. De standaard oplaadmethode voor dergelijke apparaten is de constante stroom/constante spanning (CC/CV)-methode. Het omvat een oplaadproces in twee stappen. In de eerste fase vindt het opladen plaats met een constante stroom. Dit duurt totdat de spanning op de cel een bepaalde drempel bereikt, waarna de spanning constant blijft en de stroom exponentieel afneemt totdat deze de afsnijwaarde bereikt.

Kosten tellen en communiceren

Zoals eerder vermeld, kan de lading van de SCB worden gemeten met behulp van eenvoudige spanningsmetingen. Bij het gebruik van lithium-ionbatterijen is het noodzakelijk om het laadniveau van de cellen te controleren, wat de implementatie van complexe algoritmen en leercycli vereist.

I 2 C is het meest voorkomende en kosteneffectieve communicatieprotocol dat wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen, maar het heeft beperkingen op het gebied van ruisimmuniteit, signaalintegriteit over afstand en algehele bandbreedte. SMBus (System Management Bus), een afgeleide van I 2 C, is heel gebruikelijk in kleinere batterijen, maar biedt momenteel geen effectieve ondersteuning voor krachtige of grotere pakketten. CAN is ideaal voor omgevingen met veel lawaai of waar lange runs nodig zijn, zoals in veel SKB-toepassingen, maar het is vrij duur.

Directe vervangingen

Benadrukt moet worden dat er inmiddels verschillende standaard loodzuuraccuformaten bestaan. Bijvoorbeeld U1, een standaardvormfactor die wordt gebruikt in back-upstroomtoepassingen voor medische apparatuur. De lithium-ijzerfosfaatbatterij is een behoorlijk waardige vervanger voor loodzuur gebleken. IJzerfosfaat heeft een uitstekende levenscyclus, goede geleidbaarheid van de lading, verbeterde veiligheid en lage impedantie. De spanningen van lithium-ijzerfosfaat-accu’s zijn ook goed afgestemd op de spanningen van loodzuuraccu’s (12V en 24V), waardoor dezelfde laders kunnen worden gebruikt. Softwarepakketten voor batterijonderhoud en -bewaking omvatten slimme functies zoals het volgen van de lading, de teller voor laad-/ontlaadcycli en meer.

Lithium-ijzerfosfaatbatterijen behouden tijdens opslag 100% capaciteit, in tegenstelling tot SKB-batterijen, die na meerdere maanden opslag capaciteit verliezen. De figuur hierboven vergelijkt de twee producten en de soorten vooruitgang die zijn geboekt bij de overgang van SKB naar Li-ion.

Conclusies

Er zijn maar weinig batterijen die zoveel energie kunnen opslaan als loodzuurbatterijen, waardoor dit type batterij kosteneffectief is voor veel apparaten met een hoog vermogen. De prijs van de lithium-iontechnologie daalt voortdurend, evenals de voortdurende verbeteringen in hun chemische structuren en veiligheidssystemen, waardoor ze een waardige concurrent van de loodzuurtechnologie worden. Apparaten voor hun gebruik kunnen heel verschillend zijn, variërend van apparaten voor ononderbroken stroomvoorziening tot elektrische voertuigen en drones.

Het laad- en ontlaadproces van elke batterij vindt plaats in de vorm van een chemische reactie. Het opladen van lithium-ionbatterijen is echter een uitzondering op de regel. Wetenschappelijk onderzoek toont de energie van dergelijke batterijen aan als de chaotische beweging van ionen. De uitspraken van experts verdienen aandacht. Als de wetenschap lithium-ionbatterijen correct wil opladen, moeten deze apparaten eeuwig meegaan.

Wetenschappers zien bewijs van verlies aan nuttige batterijcapaciteit, bevestigd door de praktijk, in ionen die worden geblokkeerd door zogenaamde vallen.

Daarom zijn lithium-ion-apparaten, net als bij andere soortgelijke systemen, niet immuun voor defecten tijdens het gebruik ervan in de praktijk.

Opladers voor Li-ion-ontwerpen vertonen enkele overeenkomsten met apparaten die zijn ontworpen voor loodzuursystemen.

Maar de belangrijkste verschillen tussen dergelijke laders zijn te zien in de toevoer van verhoogde spanningen naar de cellen. Bovendien zijn er nauwere stroomtoleranties, plus de eliminatie van intermitterend of druppelladen wanneer de batterij volledig is opgeladen.

Als er enige flexibiliteit is op het gebied van het aansluiten/ontkoppelen van de spanning, wijzen fabrikanten van lithium-ionsystemen deze aanpak categorisch af.

Li-ion-batterijen en de bedieningsregels voor deze apparaten laten de mogelijkheid van onbeperkt overladen niet toe.

Daarom bestaat er geen zogenaamde “wonder”-oplader voor lithium-ionbatterijen die hun levensduur langdurig kunnen verlengen.

Het is onmogelijk om via pulsladen of andere bekende trucs extra Li-ion-capaciteit te verkrijgen. Lithium-ion-energie is een soort ‘schoon’ systeem dat een strikt beperkte hoeveelheid energie accepteert.

Kobalt-gemengde batterijen opladen

Klassieke lithium-ionbatterijontwerpen zijn uitgerust met kathodes waarvan de structuur bestaat uit materialen:

• kobalt,
• nikkel,
• mangaan,
• aluminium.

Ze worden doorgaans allemaal opgeladen met een spanning van maximaal 4,20 V/I. De toegestane afwijking bedraagt ​​maximaal +/- 50 mV/I. Maar er zijn ook bepaalde typen lithium-ionbatterijen op nikkelbasis die een laadspanning tot 4,10 V/I mogelijk maken.

Ook zijn er ontwikkelingen van lithium-ion batterijen, waarbij het percentage lithium is verhoogd. Voor hen kan de laadspanning 4,30V/I en hoger bereiken.

Welnu, het verhogen van de spanning vergroot de capaciteit, maar als de spanning de specificatie overschrijdt, kan dit leiden tot vernietiging van de batterijstructuur.

Daarom zijn lithium-ionbatterijen voor het grootste deel uitgerust met beveiligingscircuits, die tot doel hebben de gevestigde norm te handhaven.

Volledige of gedeeltelijke betaling

De praktijk leert echter: de krachtigste lithium-ion-accu's kunnen een hoger spanningsniveau verdragen, mits deze voor een korte tijd worden gevoed.

Met deze optie bedraagt ​​de laadefficiëntie ongeveer 99% en blijft de cel gedurende de gehele oplaadtijd koel. Het is waar dat sommige lithium-ionbatterijen nog steeds 4 tot 5 graden Celsius opwarmen als ze volledig zijn opgeladen.

Dit kan te wijten zijn aan bescherming of aan een hoge interne weerstand. Bij dergelijke accu's moet het opladen worden gestopt als de temperatuur bij een gematigde laadsnelheid boven de 10ºC komt.

Het volledig opladen van met kobalt gemengde systemen vindt plaats bij een drempelspanning. In dit geval daalt de stroom met maximaal 3-5% van de nominale waarde.

De batterij zal een volledige lading vertonen, zelfs wanneer deze een bepaald capaciteitsniveau bereikt dat lange tijd onveranderd blijft. De reden hiervoor kan een verhoogde zelfontlading van de batterij zijn.

Toenemende laadstroom en laadverzadiging

Opgemerkt moet worden dat het verhogen van de laadstroom het bereiken van een volledige laadtoestand niet versnelt. Lithium bereikt sneller de piekspanning, maar het opladen tot de capaciteit volledig verzadigd is duurt langer. Door de batterij echter met hoge stroom op te laden, wordt de batterijcapaciteit snel vergroot tot ongeveer 70%.

Lithium-ionbatterijen hoeven niet volledig te worden opgeladen, zoals het geval is bij loodzuurapparaten. Bovendien is deze oplaadmogelijkheid onwenselijk voor Li-ion. Sterker nog, het is beter om de accu niet volledig op te laden, omdat hoge spanning de accu ‘belast’.

Het selecteren van een lagere spanningsdrempel of het volledig verwijderen van de verzadigingslading helpt de levensduur van de lithium-ionbatterij te verlengen. Het is waar dat deze aanpak gepaard gaat met een afname van de energievrijgavetijd van de batterij.

Hierbij moet worden opgemerkt: huishoudelijke opladers werken in de regel op maximaal vermogen en ondersteunen geen aanpassing van de laadstroom (spanning).

Fabrikanten van lithium-ionbatterijladers voor consumenten vinden een lange levensduur van de batterij minder belangrijk dan de kosten van de circuitcomplexiteit.

Li-ion-acculaders

Sommige goedkope huishoudelijke opladers werken vaak met een vereenvoudigde methode. Laad een lithium-ionbatterij in één uur of minder op, zonder dat er sprake is van verzadigingslading.

De gereedindicator op dergelijke apparaten gaat branden wanneer de batterij in de eerste fase de spanningsdrempel bereikt. De laadstatus bedraagt ​​ongeveer 85%, wat vaak tot tevredenheid van veel gebruikers leidt.

Professionele laders (duur) onderscheiden zich doordat ze de laadspanningsdrempel lager instellen, waardoor de levensduur van de lithium-ionbatterij wordt verlengd.

De tabel toont het berekende vermogen bij het opladen met dergelijke apparaten bij verschillende spanningsdrempels, met en zonder verzadigingslading:

Zodra de lithium-ionbatterij begint op te laden, vindt er een snelle spanningsstijging plaats. Dit gedrag is vergelijkbaar met het heffen van een last met een elastiekje als er sprake is van een vertragingseffect.

Capaciteit zal uiteindelijk worden gewonnen als de batterij volledig is opgeladen. Deze laadkarakteristiek is typisch voor alle accu's.

Hoe hoger de laadstroom, hoe helderder het elastiekeffect. Lage temperaturen of de aanwezigheid van een cel met hoge interne weerstand versterken het effect alleen maar.

Het beoordelen van de laadtoestand door de spanning van een opgeladen batterij af te lezen is onpraktisch. Het meten van de nullastspanning nadat de accu enkele uren heeft stilgestaan, is de beste evaluatie-indicator.

Net als bij andere batterijen beïnvloedt de temperatuur het stationaire toerental op dezelfde manier als het actieve materiaal van een lithium-ionbatterij. , laptops en andere apparaten wordt geschat door het tellen van coulombs.

Lithium-ionbatterij: verzadigingsdrempel

Een lithium-ionbatterij kan overtollige lading niet absorberen. Daarom moet, wanneer de batterij volledig verzadigd is, de laadstroom onmiddellijk worden verwijderd.

Een constante stroomlading kan leiden tot metallisatie van lithiumelementen, wat in strijd is met het principe van het garanderen van de veilige werking van dergelijke batterijen.

Om de vorming van defecten te minimaliseren, moet u de lithium-ionbatterij zo snel mogelijk loskoppelen wanneer deze de pieklading bereikt.

Zodra het opladen stopt, begint de spanning van de lithium-ionbatterij te dalen. Het effect van het verminderen van fysieke stress verschijnt.

Gedurende enige tijd zal de nullastspanning worden verdeeld tussen ongelijkmatig geladen cellen met een spanning van 3,70 V en 3,90 V.

Hier trekt het proces ook de aandacht wanneer een lithium-ionbatterij, die een volledig verzadigde lading heeft gekregen, de naburige batterij begint op te laden (als er een in het circuit is opgenomen), die geen verzadigingslading heeft ontvangen.

Wanneer lithium-ionbatterijen voortdurend op de lader moeten worden gehouden om ervoor te zorgen dat ze gereed zijn, moet u vertrouwen op laders die over een kobeschikken.

De flitslader wordt ingeschakeld wanneer de nullastspanning daalt tot 4,05 V/I en wordt uitgeschakeld wanneer de spanning 4,20 V/I bereikt.

Opladers die zijn ontworpen voor gebruik in stand-bymodus zijn vaak geschikt voor accuspanningen van slechts 4,00 V/I en laden Li-Ion-accu's alleen op tot 4,05 V/I in plaats van het volledige niveau van 4,20 V/I te bereiken.

Deze techniek vermindert de fysieke spanning, die inherent verbonden is met technische spanning, en helpt de levensduur van de batterij te verlengen.

Kobaltvrije batterijen opladen

Traditionele batterijen hebben een nominale celspanning van 3,60 volt. Voor apparaten die geen kobalt bevatten, is de beoordeling echter anders.

Zo hebben lithiumfosfaatbatterijen een nominale waarde van 3,20 volt (laadspanning 3,65V). En nieuwe lithiumtitanaatbatterijen (gemaakt in Rusland) hebben een nominale celspanning van 2,40 V (laderspanning 2,85).

Traditionele laders zijn niet geschikt voor dergelijke batterijen, omdat ze de batterij overbelasten met explosiegevaar. Omgekeerd zal een laadsysteem voor kobaltvrije batterijen niet voldoende lading leveren aan een traditionele 3,60V lithium-ionbatterij.

Overmatige lading van de lithium-ionbatterij

De lithium-ionbatterij werkt veilig binnen de gespecificeerde bedrijfsspanningen. De prestaties van de batterij worden echter onstabiel als deze boven de bedrijfslimieten wordt opgeladen.

Het langdurig opladen van een lithium-ionbatterij met een spanning van meer dan 4,30 V, ontworpen voor een bedrijfsvermogen van 4,20 V, is beladen met lithiummetallisering van de anode.

Het kathodemateriaal verkrijgt op zijn beurt de eigenschappen van een oxidatiemiddel, verliest zijn stabiliteit en geeft kooldioxide vrij.

De druk van de batterijcel neemt toe en als het opladen doorgaat, zal het interne beveiligingsapparaat werken bij een druk tussen 1000 kPa en 3180 kPa.

Als de drukstijging hierna doorzet, opent het beschermmembraan bij een drukniveau van 3.450 kPa. In deze toestand staat de lithium-ionbatterijcel op het punt te exploderen en uiteindelijk gebeurt dat ook.

Het activeren van de bescherming in een lithium-ionbatterij gaat gepaard met een stijging van de temperatuur van de interne inhoud. Een volledig opgeladen batterij heeft een hogere interne temperatuur dan een gedeeltelijk opgeladen batterij.

Daarom lijken lithium-ionbatterijen veiliger wanneer ze op een laag niveau worden opgeladen. Dat is de reden waarom de autoriteiten van sommige landen het gebruik van Li-ion-batterijen vereisen in vliegtuigen die niet meer dan 30% van hun volledige capaciteit met energie verzadigd zijn.

De temperatuurdrempel van de interne batterij bij volledige belasting is:

• 130-150°C (voor lithium-kobalt);
• 170-180°C (voor nikkel-mangaan-kobalt);
• 230-250°C (voor lithiummangaan).

Opgemerkt moet worden: lithiumfosfaatbatterijen hebben een betere temperatuurstabiliteit dan lithium-mangaanbatterijen. Lithium-ionbatterijen zijn niet de enige die een gevaar vormen bij overbelasting van de energie.

Lood-nikkelbatterijen zijn bijvoorbeeld ook gevoelig voor smelten en daaropvolgende brand als energieverzadiging wordt uitgevoerd in strijd met het paspoortregime.

Daarom is het gebruik van opladers die perfect op de accu zijn afgestemd van het allergrootste belang voor alle lithium-ion accu’s.

Enkele conclusies uit de analyse

Het opladen van lithium-ionbatterijen heeft een vereenvoudigde procedure vergeleken met nikkelsystemen. Het laadcircuit is eenvoudig, met spannings- en stroomlimieten.

Dit circuit is veel eenvoudiger dan een circuit dat complexe spanningssignaturen analyseert die veranderen naarmate de batterij wordt gebruikt.

Het energieverzadigingsproces van lithium-ionbatterijen maakt onderbrekingen mogelijk; deze batterijen hoeven niet volledig verzadigd te zijn, zoals bij loodzuurbatterijen het geval is.

De eigenschappen van lithium-ionbatterijen beloven voordelen bij de werking van hernieuwbare energiebronnen (zonnepanelen en windturbines). In de regel levert een windgenerator zelden een volledige acculading.

Voor lithium-ion vereenvoudigt het ontbreken van stabiele oplaadvereisten het ontwerp van de laadregelaar. Een lithium-ionbatterij heeft geen controller nodig om spanning en stroom gelijk te maken, zoals vereist is bij loodzuurbatterijen.

Alle huishoudelijke en de meeste industriële lithium-ionladers laden de batterij volledig op. Bestaande oplaadapparaten voor lithium-ionbatterijen bieden echter over het algemeen geen spanningsregeling aan het einde van de cyclus.

Lithium-ion- en lithium-polymeerbatterijen

Het technische denken evolueert voortdurend: het wordt gestimuleerd door voortdurend opkomende problemen die de ontwikkeling van nieuwe technologieën vereisen om opgelost te worden. Ooit werden nikkel-cadmium (NiCd) batterijen vervangen door nikkel-metaalhydride (NiMH), en nu proberen lithium-ion (Li-ion) batterijen de plaats in te nemen van lithium-ion (Li-ion) batterijen. NiMH-batterijen hebben NiCd tot op zekere hoogte verdrongen, maar vanwege de onmiskenbare voordelen van laatstgenoemde, zoals het vermogen om hoge stroomsterktes, lage kosten en een lange levensduur te leveren, konden ze niet voor een volledige vervanging zorgen. Maar hoe zit het met lithiumbatterijen? Wat zijn hun kenmerken en waarin verschillen Li-pol-batterijen van Li-ion? Laten we proberen dit probleem te begrijpen.

Als we een mobiele telefoon of laptop kopen, denken we in de regel niet na over wat voor soort batterij erin zit en hoe deze apparaten in het algemeen verschillen. En pas dan, nadat we in de praktijk de consumentenkwaliteiten van bepaalde batterijen zijn tegengekomen, beginnen we te analyseren en te kiezen. Voor degenen die haast hebben en meteen antwoord willen krijgen op de vraag welke batterij optimaal is voor een mobiele telefoon, zal ik kort antwoorden: Li-ion. De volgende informatie is bedoeld voor nieuwsgierigen.

Eerst een korte excursie in de geschiedenis.

De eerste experimenten met het maken van lithiumbatterijen begonnen in 1912, maar pas zes decennia later, begin jaren zeventig, werden ze voor het eerst in huishoudelijke apparaten geïntroduceerd. Laat me bovendien benadrukken dat dit slechts batterijen waren. Latere pogingen om lithiumbatterijen (oplaadbare batterijen) te ontwikkelen mislukten vanwege veiligheidsoverwegingen. Lithium, het lichtste van alle metalen, heeft het grootste elektrochemische potentieel en biedt de grootste energiedichtheid. Batterijen met lithiummetaalelektroden bieden zowel een hoge spanning als een uitstekende capaciteit. Maar als resultaat van talrijke onderzoeken in de jaren 80 werd ontdekt dat de cyclische werking (laden - ontladen) van lithiumbatterijen leidt tot veranderingen in de lithiumelektrode, waardoor de thermische stabiliteit afneemt en er een bedreiging bestaat voor de thermische toestand uit de hand lopen. Wanneer dit gebeurt, nadert de temperatuur van het element snel het smeltpunt van lithium - en begint een gewelddadige reactie, waarbij de vrijkomende gassen ontbranden. Een groot aantal lithiumbatterijen voor mobiele telefoons die in 1991 naar Japan werden verzonden, werden bijvoorbeeld teruggeroepen na verschillende brandincidenten.

Vanwege de inherente instabiliteit van lithium hebben onderzoekers hun aandacht gericht op niet-metaalhoudende lithiumbatterijen op basis van lithiumionen. Nadat ze wat energiedichtheid hadden verloren en enkele voorzorgsmaatregelen hadden genomen bij het opladen en ontladen, kregen ze veiligere zogenaamde Li-ion-batterijen.

De energiedichtheid van Li-ion-batterijen is gewoonlijk twee keer zo hoog als die van standaard NiCd, en in de toekomst wordt verwacht dat deze, dankzij het gebruik van nieuwe actieve materialen, nog verder zal toenemen en een drievoudige superioriteit ten opzichte van NiCd zal bereiken. Naast de grote capaciteit gedragen Li-ion-batterijen zich bij ontlading op dezelfde manier als NiCd's (hun ontladingskarakteristieken zijn qua vorm vergelijkbaar en verschillen alleen qua spanning).

Tegenwoordig zijn er veel soorten Li-ion-batterijen, en je kunt lang praten over de voor- en nadelen van het ene of het andere type, maar het is onmogelijk om ze op uiterlijk te onderscheiden. Daarom zullen we alleen die voor- en nadelen opmerken die kenmerkend zijn voor alle soorten van deze apparaten, en de redenen overwegen die hebben geleid tot de geboorte van lithium-polymeerbatterijen.

Belangrijkste voordelen.

• Hoge energiedichtheid en daardoor hoge capaciteit bij dezelfde afmetingen vergeleken met nikkelgebaseerde batterijen.
• Lage zelfontlading.
• Hoge spanning per cel (3,6 V versus 1,2 V voor NiCd en NiMH), wat het ontwerp vereenvoudigt - vaak bestaat de batterij uit slechts één cel. Veel fabrikanten gebruiken tegenwoordig zo'n eencellige batterij in mobiele telefoons (denk aan Nokia). Om hetzelfde vermogen te leveren, moet er echter een hogere stroom worden geleverd. En dit vereist het garanderen van een lage interne weerstand van het element.
• Lage onderhoudskosten (bedrijfskosten) zijn het gevolg van de afwezigheid van een geheugeneffect, waardoor periodieke ontlaadcycli nodig zijn om de capaciteit te herstellen.

Gebreken.

De productietechnologie voor Li-ion-batterijen wordt voortdurend verbeterd. Het wordt ongeveer elke zes maanden bijgewerkt en het is moeilijk te begrijpen hoe nieuwe batterijen zich "dragen" na langdurige opslag.

Kortom, een Li-ion-batterij zou voor iedereen goed zijn, ware het niet dat er problemen waren met het garanderen van de veiligheid van de werking en de hoge kosten. Pogingen om deze problemen op te lossen leidden tot de opkomst van lithium-polymeerbatterijen (Li-pol of Li-polymeer).

Het belangrijkste verschil met Li-ion komt tot uiting in de naam en ligt in het type elektrolyt dat wordt gebruikt. Aanvankelijk, in de jaren '70, werd een droge vaste polymeerelektrolyt gebruikt, vergelijkbaar met plastic folie en die geen elektriciteit geleidt, maar de uitwisseling van ionen mogelijk maakt (elektrisch geladen atomen of groepen atomen). De polymeerelektrolyt vervangt effectief de traditionele poreuze separator geïmpregneerd met elektrolyt.

Dit ontwerp vereenvoudigt het productieproces, is veiliger en maakt de productie van dunne, vrije-vormbatterijen mogelijk. Bovendien elimineert de afwezigheid van vloeibare of gel-elektrolyt de mogelijkheid van ontsteking. De dikte van het element is ongeveer één millimeter, dus ontwikkelaars van apparatuur zijn vrij om de vorm, vorm en maat te kiezen, zelfs inclusief de implementatie ervan in kledingfragmenten.

Maar tot nu toe hebben droge Li-polymeerbatterijen helaas onvoldoende elektrische geleidbaarheid bij kamertemperatuur. Hun interne weerstand is te hoog en kan niet de hoeveelheid stroom leveren die nodig is voor moderne communicatie en stroomtoevoer naar de harde schijven van laptopcomputers. Tegelijkertijd neemt bij verhitting tot 60°C of meer de elektrische geleidbaarheid van Li-polymeer toe tot een acceptabel niveau, maar dit is niet geschikt voor massaal gebruik.

Onderzoekers blijven Li-polymeerbatterijen ontwikkelen met een droge, vaste elektrolyt die bij kamertemperatuur werkt. Dergelijke batterijen zullen naar verwachting in 2005 op de markt komen. Ze zullen stabiel zijn, 1000 volledige laad-ontlaadcycli mogelijk maken en een hogere energiedichtheid hebben dan de huidige Li-ion-batterijen

Ondertussen worden sommige soorten Li-polymeerbatterijen nu gebruikt als back-upvoeding in warme klimaten. Sommige fabrikanten installeren bijvoorbeeld specifiek verwarmingselementen die een gunstige temperatuur voor de batterij behouden.

Je kunt je afvragen: hoe kan dit? Li-polymeerbatterijen worden veel op de markt verkocht, fabrikanten rusten telefoons en computers ermee uit, maar hier zeggen we dat ze nog niet klaar zijn voor commercieel gebruik. Het is heel eenvoudig. In dit geval hebben we het over batterijen, niet met droge vaste elektrolyt. Om de elektrische geleidbaarheid van kleine Li-polymeerbatterijen te vergroten, wordt er een bepaalde hoeveelheid gelachtige elektrolyt aan toegevoegd. En de meeste Li-polymeerbatterijen die tegenwoordig voor mobiele telefoons worden gebruikt, zijn eigenlijk hybrides omdat ze een gelachtig elektrolyt bevatten. Het zou juister zijn om ze lithium-ionpolymeer te noemen. Maar de meeste fabrikanten bestempelen ze eenvoudigweg als Li-polymeer voor reclamedoeleinden. Laten we dieper ingaan op dit type lithium-polymeerbatterijen, aangezien ze op dit moment van het grootste belang zijn.

Wat is het verschil tussen Li-ion- en Li-polymeer-batterijen waaraan gel-elektrolyt is toegevoegd? Hoewel de kenmerken en efficiëntie van beide systemen grotendeels vergelijkbaar zijn, is het unieke van de Li-ion-polymeerbatterij (zo kun je het ook noemen) dat deze nog steeds een vaste elektrolyt gebruikt, ter vervanging van een poreuze afscheider. Gel-elektrolyt wordt alleen toegevoegd om de ionische geleidbaarheid te verhogen.

Technische problemen en vertragingen bij het opvoeren van de productie hebben de introductie van Li-ion-polymeerbatterijen vertraagd. Dit wordt volgens sommige experts veroorzaakt door de wens van investeerders die veel geld hebben geïnvesteerd in de ontwikkeling en massaproductie van Li-ion-batterijen om hun investeringen terug te krijgen. Daarom hebben ze geen haast om over te schakelen naar nieuwe technologieën, hoewel de massaproductie van Li-ion-polymeerbatterijen goedkoper zal zijn dan lithium-ionbatterijen.

En nu over de kenmerken van het gebruik van Li-ion- en Li-polymeerbatterijen.

Hun belangrijkste kenmerken lijken erg op elkaar. Het opladen van Li-ion-accu's wordt in het artikel voldoende gedetailleerd beschreven. Bovendien zal ik er alleen een grafiek (Fig. 1) van geven, die de fasen van de lading illustreert, en er een kleine verklaring voor geven.

De oplaadtijd voor alle Li-ion-accu's met een initiële laadstroom van 1C (numeriek gelijk aan de nominale waarde van de accucapaciteit) bedraagt ​​gemiddeld 3 uur. Volledige lading wordt bereikt wanneer de accuspanning gelijk is aan de bovenste drempelwaarde en wanneer de laadstroom wordt verlaagd tot een niveau dat ongeveer gelijk is aan 3% van de initiële waarde. Tijdens het opladen blijft de batterij koud. Zoals uit de grafiek blijkt, bestaat het laadproces uit twee fasen. In de eerste fase (iets meer dan een uur) neemt de spanning toe met een vrijwel constante initiële laadstroom van 1C totdat de bovenste spanningsdrempel voor het eerst wordt bereikt. Op dit punt is de batterij opgeladen tot ongeveer 70% van zijn capaciteit. Aan het begin van de tweede fase blijft de spanning vrijwel constant en neemt de stroom af totdat deze de bovengenoemde 3% bereikt. Hierna stopt het opladen volledig.

Als u de batterij de hele tijd opgeladen moet houden, wordt aanbevolen om deze na 500 uur of 20 dagen op te laden. Meestal wordt dit uitgevoerd wanneer de spanning op de accupolen daalt tot 4,05 V en stopt wanneer deze 4,2 V bereikt

Een paar woorden over het temperatuurbereik tijdens het opladen. De meeste typen Li-ion-accu's kunnen worden opgeladen met een stroomsterkte van 1C bij temperaturen van 5 tot 45 °C. Bij temperaturen van 0 tot 5°C wordt het opladen aanbevolen met een stroomsterkte van 0,1 C. Opladen bij temperaturen onder het vriespunt is verboden. De optimale temperatuur voor het opladen is 15 tot 25 °C.

De laadprocessen bij Li-polymeer accu's zijn vrijwel identiek aan die hierboven beschreven, waardoor de consument absoluut niet hoeft te weten welke van de twee typen accu's hij in handen heeft. En al die laders die hij gebruikte voor Li-ion accu’s zijn geschikt voor Li-polymeer.

En nu over de ontslagvoorwaarden. Normaal gesproken ontladen Li-ion-batterijen tot een waarde van 3,0 V per cel, hoewel voor sommige varianten de onderste drempel 2,5 V is. Fabrikanten van apparatuur op batterijen ontwerpen doorgaans apparaten met een uitschakeldrempel van 3,0 V (voor alle gelegenheden). Wat betekent dit? De spanning op de batterij neemt geleidelijk af wanneer de telefoon wordt ingeschakeld, en zodra deze 3,0 V bereikt, waarschuwt het apparaat u en wordt het uitgeschakeld. Dit betekent echter helemaal niet dat hij geen energie meer uit de batterij verbruikt. Er is energie nodig, ook al is deze klein, om te detecteren wanneer de aan/uit-toets van de telefoon wordt ingedrukt en voor sommige andere functies. Bovendien wordt energie verbruikt door het eigen interne controle- en beveiligingscircuit, en zelfontlading, hoewel klein, is nog steeds typisch, zelfs voor op lithium gebaseerde batterijen. Als gevolg hiervan zal, als lithiumbatterijen lange tijd niet worden opgeladen, de spanning erop onder de 2,5 V dalen, wat erg slecht is. In dit geval kan het interne controle- en beveiligingscircuit worden uitgeschakeld en kunnen niet alle opladers dergelijke batterijen opladen. Bovendien heeft een diepe ontlading een negatieve invloed op de interne structuur van de batterij zelf. Een volledig ontladen accu moet in de eerste fase worden opgeladen met een stroomsterkte van slechts 0,1C. Kortom, batterijen verkeren graag in een geladen toestand in plaats van in een ontladen toestand.

Een paar woorden over de temperatuuromstandigheden tijdens het ontladen (lees tijdens bedrijf).

Over het algemeen presteren Li-ion-batterijen het beste bij kamertemperatuur. Werken in warmere omstandigheden zal de levensduur ervan ernstig verkorten. Hoewel een loodzuuraccu bijvoorbeeld de hoogste capaciteit heeft bij temperaturen boven de 30°C, verkort langdurig gebruik onder dergelijke omstandigheden de levensduur van de accu. Op dezelfde manier presteert Li-ion beter bij hoge temperaturen, wat in eerste instantie de toename van de interne weerstand van de batterij als gevolg van veroudering tegengaat. Maar de toegenomen energieproductie is van korte duur, omdat stijgende temperaturen op hun beurt een versnelde veroudering bevorderen, gepaard gaande met een verdere toename van de interne weerstand.

De enige uitzonderingen op dit moment zijn lithium-polymeerbatterijen met droge vaste polymeerelektrolyt. Ze vereisen een vitale temperatuur van 60 °C tot 100 °C. En dergelijke batterijen hebben hun plek gevonden op de markt voor back-upbronnen in warme klimaten. Ze zijn geplaatst in een thermisch geïsoleerde behuizing met ingebouwde verwarmingselementen, gevoed vanuit een extern netwerk. Li-ion-polymeerbatterijen als back-up worden qua capaciteit en duurzaamheid als superieur beschouwd aan VRLA-batterijen, vooral in veldomstandigheden waar temperatuurregeling niet mogelijk is. Maar hun hoge prijs blijft een beperkende factor.

Bij lage temperaturen neemt de efficiëntie van batterijen van alle elektrochemische systemen sterk af. Terwijl NiMH-, SLA- en Li-ion-batterijen stoppen met functioneren bij -20°C, blijven NiCd-batterijen functioneren tot -40°C. Ik wil er even op wijzen dat we het wederom alleen hebben over batterijen die op grote schaal worden gebruikt.

Het is belangrijk om te onthouden dat hoewel de batterij bij lage temperaturen kan werken, dit niet betekent dat deze ook onder deze omstandigheden kan worden opgeladen. De laadrespons van de meeste accu's bij zeer lage temperaturen is uiterst beperkt en de laadstroom moet in deze gevallen worden teruggebracht tot 0,1 C.

Tot slot zou ik willen opmerken dat u op het forum in het accessoires-subforum vragen kunt stellen en problemen kunt bespreken met betrekking tot Li-ion, Li-polymeer en andere soorten batterijen.

Bij het schrijven van dit artikel is gebruik gemaakt van materialen [—Batterijen voor mobiele apparaten en laptopcomputers. Batterijanalysatoren.

• Vertaling

Dood van de batterij: we hebben het allemaal zien gebeuren. Bij telefoons, laptops, camera's en nu ook elektrische auto's is het proces pijnlijk en – als je geluk hebt – langzaam. In de loop der jaren verliest de lithium-ionbatterij, die uw apparaten ooit uren (en zelfs dagen!) van stroom heeft voorzien, geleidelijk aan zijn vermogen om een ​​lading vast te houden. Uiteindelijk zul je ermee in het reine komen, misschien Steve Jobs vervloeken, en dan een nieuwe batterij kopen, of zelfs een geheel nieuw gadget.

Maar waarom gebeurt dit? Wat gebeurt er in een batterij waardoor deze doodgaat? Het korte antwoord is dat als gevolg van de schade als gevolg van langdurige blootstelling aan hoge temperaturen en een groot aantal laad- en ontlaadcycli, de beweging van lithiumionen tussen de elektroden uiteindelijk begint af te breken.

Een gedetailleerder antwoord dat ons meeneemt langs ongewenste chemische reacties, corrosie, de dreiging van hoge temperaturen en andere factoren die de prestaties beïnvloeden, begint met een uitleg van wat er gebeurt in lithium-ionbatterijen als alles goed werkt.

Inleiding tot lithium-ionbatterijen

Tijdens het opladen verplaatst een elektrische stroom lithiumionen van de kathode naar de anode. Tijdens het ontladen (met andere woorden, wanneer de batterij wordt gebruikt) bewegen de ionen zich terug naar de kathode.

Daniel Abraham, een wetenschapper aan het Argonne National Laboratory die onderzoek doet naar de afbraak van lithium-ioncellen, vergeleek het proces met water in een waterkrachtsysteem. Water dat omhoog beweegt, kost energie, maar het stroomt heel gemakkelijk naar beneden. In feite levert het kinetische energie, zegt Abraham, op een vergelijkbare manier waarop het lithiumkobaltoxide in de kathode 'zijn lithium niet wil opgeven'. Net als water dat omhoog beweegt, is er energie nodig om de lithiumatomen uit het oxide naar de anode te verplaatsen.

Tijdens het opladen worden ionen tussen de grafietplaten geplaatst waaruit de anode bestaat. Maar zoals Abraham het zegt: "Ze willen daar niet zijn; zodra ze de kans krijgen, zullen ze terugtrekken", zoals water dat van een heuvel af stroomt. Dit is détente. Een batterij met een lange levensduur is bestand tegen enkele duizenden van dergelijke laad-ontlaadcycli.

Wanneer is een lege batterij echt leeg?

Bij mobiele telefoons is een hoog vermogen daarentegen minder belangrijk dan de capaciteit, of de hoeveelheid energie die de batterij kan bevatten. Batterijen met een hoge capaciteit gaan langer mee na één keer opladen.

Na verloop van tijd gaat een batterij op verschillende manieren achteruit, wat zowel de capaciteit als het vermogen kan beïnvloeden, totdat deze uiteindelijk eenvoudigweg de basisfuncties niet meer kan vervullen.

Zie het eens in een andere wateranalogie: het opladen van een batterij is hetzelfde als het vullen van een emmer met kraanwater. Het volume van de emmer vertegenwoordigt de capaciteit van de batterij. De snelheid waarmee je hem kunt vullen – door de kraan vol open te draaien of in een straaltje – is het vermogen. Maar tijd, hoge temperaturen, meerdere cycli en andere factoren zorgen uiteindelijk voor een gat in de emmer.

In de emmer-analogie lekt er water uit. In een batterij worden de lithiumionen verwijderd of 'gebonden', zegt Abraham. Als gevolg hiervan wordt hen het vermogen ontnomen om tussen de elektroden te bewegen. Dus na een paar maanden moet een mobiele telefoon die oorspronkelijk eens in de paar dagen moest worden opgeladen, nu elke 24 uur worden opgeladen. Daarna twee keer per dag. Uiteindelijk zullen te veel lithiumionen ‘gebonden’ raken en zal de batterij geen bruikbare lading meer bevatten. De emmer stopt met het vasthouden van water.

Wat breekt en waarom

Het probleem is dat de kristalstructuur bij elke lading en ontlading kan veranderen. Ionen uit appartement A keren niet noodzakelijkerwijs terug naar huis, maar kunnen wel naar het naastgelegen appartement B verhuizen. Dan vindt Ion van appartement B zijn plaats ingenomen door deze zwerver en besluit, zonder de confrontatie aan te gaan, verderop in de gang te gaan wonen. En zo verder.

Geleidelijk transformeren deze ‘faseovergangen’ in de substantie de kathode in een nieuwe kristallijne kristalstructuur met verschillende elektrochemische eigenschappen. De exacte rangschikking van atomen die in eerste instantie de vereiste prestatieveranderingen oplevert.

Bij hybride autobatterijen, die alleen nodig zijn om stroom te leveren wanneer het voertuig accelereert of remt, merkt Abraham op, vinden deze structurele veranderingen veel langzamer plaats dan bij elektrische voertuigen. Dit komt door het feit dat in elke cyclus slechts een klein deel van de lithiumionen door het systeem beweegt. Als gevolg hiervan kunnen ze gemakkelijker terugkeren naar hun oorspronkelijke posities.

Corrosie probleem

Als het verbindingsmateriaal kapot gaat, zal het oppervlak van de stroomcollector ‘afbladderen’. Als een metaal corrodeert, kan het de elektronen niet efficiënt verplaatsen.

Corrosie in een batterij kan het gevolg zijn van de interactie tussen de elektrolyt en de elektroden. De grafietanode wordt “gemakkelijk losgemaakt”, d.w.z. het “doneert” gemakkelijk elektronen aan de elektrolyt. Dit kan resulteren in een ongewenste coating op het oppervlak van het grafiet. De kathode is daarentegen in hoge mate 'oxideerbaar', wat betekent dat hij gemakkelijk elektronen uit de elektrolyt accepteert, die in sommige gevallen het aluminium van de stroomcollector kunnen aantasten of een coating op delen van de kathode kunnen vormen, zegt Abraham.

Te veel van het goede

In werkelijkheid is TEI echter een zeer onstabiele verdediger. Het beschermt grafiet goed bij kamertemperatuur, zegt Abraham, maar bij hoge temperaturen of wanneer de batterijlading tot nul daalt (“diepe ontlading”) kan TEI gedeeltelijk oplossen in de elektrolyt. Bij hoge temperaturen hebben elektrolyten ook de neiging te ontleden en worden nevenreacties versneld.

Wanneer de gunstige omstandigheden terugkeren, zal er zich weer een beschermende laag vormen, maar deze zal een deel van het lithium opvreten, wat dezelfde problemen veroorzaakt als een lekkende emmer. We zullen onze mobiele telefoon vaker moeten opladen.

We hebben dus TEI nodig om de grafietanode te beschermen, en in dit geval kan er echt te veel van het goede zijn. Als de beschermlaag te dik wordt, wordt deze een barrière voor lithiumionen, die vrij heen en weer moeten kunnen bewegen. Dit heeft invloed op het vermogen, waarvan Abraham benadrukt dat dit “uiterst belangrijk” is voor elektrische voertuigen.

Betere batterijen maken

Ondertussen werken ingenieurs bij batterij- en elektrische autofabrikanten aan behuizingen en thermische beheersystemen in een poging lithium-ionbatterijen binnen een constant, gezond temperatuurbereik te houden. Wij, als consumenten, moeten extreme temperaturen en diepe ontladingen vermijden, en blijven mopperen over batterijen die altijd te snel leeg lijken te gaan.

De meeste moderne elektronische apparaten, zoals een laptop, telefoon of speler, zijn uitgerust met lithium-ionbatterijen, die fungeren als autonome stroombronnen. Deze ionenbatterijen zijn relatief recent ontwikkeld, maar zijn vanwege hun kenmerken enorm populair geworden onder ontwerpers en fabrikanten van gadgets. Nu zijn, naast verschillende huishoudelijke apparaten, veel afwerkings- en reparatiegereedschappen, schroevendraaiers of snijmachines uitgerust met dergelijke krachtbronnen. Dit artikel bespreekt de soorten lithium-ionbatterijen, hun toepassingsgebied en werkingsprincipes.

Soorten lithium-ionbatterijen

Oplaadbare batterijen, die werken volgens het principe van het opslaan van energie en het distribueren ervan naar een verbruikt apparaat, zijn er in verschillende typen die kunnen worden gecombineerd tot één lithium-ioneenheid. Deze batterijen omvatten:

1. Lithium-kobaltbatterij. Zo'n apparaat bestaat uit een grafietanode en een kathode gemaakt van kobaltoxide. De kathode heeft een plaatstructuur met openingen tussen de onderdelen, dus wanneer er stroom wordt verbruikt, worden vanaf de anode lithiumionen naar de platen gevoerd, vindt er een elektromagnetische reactie plaats en wordt er spanning op de aansluitingen gezet. Het nadeel van een dergelijk systeem is de slechte weerstand van het mechanisme tegen temperatuurveranderingen, omdat bij negatieve temperaturen de batterij ontlaadt, zelfs als deze niet op een consument is aangesloten. Tijdens het opladen van het product verandert de richting van de stroom en stromen lithiumionen door de kathodes naar de anodes, ze hopen zich op en de spanning neemt toe. Het is ten strengste verboden om de oplader aan te sluiten op een batterij waarvan de nominale spanning hoger is dan die van het onderdeel, anders kan de batterij oververhit raken, zullen de platen smelten en zal de behuizing barsten;
2. Lithium-mangaanbatterij. Geldt ook voor lithium-ionbatterijen, waarvan het werkmedium is gemaakt van mangaanspinel in de vorm van driedimensionale kruisvormige tunnels. In tegenstelling tot het kobaltsysteem zorgt dit type basis voor een ongehinderde doorgang van lithiumionen van de anode naar de kathode en vervolgens naar de contacten van het apparaat. Het grote voordeel van de lithium-ion-mangaanbatterij is de lage weerstand van het materiaal, waardoor dergelijke batterijen vaak worden gebruikt in hybride voertuigen, gereedschap dat veel stroom verbruikt of in medische apparatuur die autonoom werkt. De batterij kan tijdens het opladen tot 80 graden worden verwarmd en de nominale stroom kan oplopen tot 20-30 Ampère. Het wordt niet aanbevolen om de batterij langer dan twee seconden bloot te stellen aan een stroomspanning hoger dan 50A, anders kunnen de spinellen oververhit raken en defect raken;

1. Lithium-ionbatterijen met ijzerfosfaatkathode. Een dergelijke batterij is zeldzaam vanwege de relatief hoge productiekosten, de uiteindelijke prijs is iets hoger dan die van andere lithium-ionbatterijen. De fosfaatkathode heeft een groot voordeel: deze heeft een levensduur van het product en een oplaadfrequentie die aanzienlijk hoger is dan die van vergelijkbare apparaten. Meestal hebben deze batterijen een garantie van 10 tot 50 jaar of ongeveer 500 oplaadcycli. Vanwege dergelijke indicatoren worden batterijen met ijzerfosfaat vaak in de industrie gebruikt wanneer het nodig is om een ​​hoge uitgangsspanning te verkrijgen;
2. Lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide-ionbatterijen. Dit is de meest praktische, vanuit het oogpunt van productiekosten en betrouwbaarheid van het eindproduct, combinatie van materialen voor de vervaardiging van de kathode. Vanwege de elektrochemische eigenschappen van de genoemde stoffen heeft de daaruit gemaakte kathode lage weerstandswaarden, dus tijdens lange perioden van inactiviteit van de batterij zal de ontlading minimaal zijn. Door de glas- of kathodecel groter te maken, kunt u ook de totale capaciteit van de batterij vergroten of de spanning verhogen. Het geheim schuilt in de combinatie van mangaan en nikkel, die, indien correct gecombineerd, een ketting met hoge elektrochemische eigenschappen creëert;
3. Lithiumtitanaatbatterij. Ontwikkeld in het begin van de jaren tachtig, is de kathode van dit apparaat, in tegenstelling tot ionenbatterijen met een grafietkern, gemaakt van lithiumtitanaat-nanokristallen. Een kathode gemaakt van dit materiaal zorgt ervoor dat de batterij in korte tijd kan worden opgeladen en dat de spanning zonder weerstand blijft. Deze eenheid wordt vaak gebruikt in autonome straatverlichtingssystemen, wanneer het nodig is om in korte tijd energie te accumuleren en deze gedurende lange tijd aan de consument te distribueren. Het nadeel van een dergelijk systeem zijn de relatief hoge kosten van de voltooide batterij, maar deze betalen zichzelf snel terug vanwege de langere levensduur van het onderdeel.

Belangrijk! Alle genoemde lithium-ionbatterijen zijn onderhoudsvrije batterijen, dus in geval van schade of defecten is het niet mogelijk om reparaties uit te voeren of servicewerkzaamheden uit te voeren om elektrolyt toe te voegen. Elke manipulatie om het batterijdeksel te openen zal leiden tot vernieling van de batterijplaten en een volledige uitval.

Werkingsprincipe van lithium-ionbatterijen

Alle lithium-ionbatterijen hebben een vergelijkbare structuur, die enkele kleine verschillen kent die geen invloed hebben op het werkingsprincipe van het onderdeel. De buitenschaal is gemaakt van composietmateriaal, plastic of dun non-ferrometaal, wat zeer zeldzaam is. Meestal bestaat de batterij uit een plastic behuizing, metalen aansluitingen voor contact met de consument en interne staven met positieve en negatieve spanning. Het interne lithium wordt opgeladen door een extern apparaat aan te sluiten met een stabiele stroom, maar elk product heeft een primaire lading, die ontstaat als gevolg van een chemische reactie tussen de anode en kathode.

De processen op de negatieve elektrode, gemaakt van koolstofhoudend materiaal, dat het uiterlijk heeft van natuurlijk gelaagd grafiet, zijn willekeurig; elektrisch geladen atomen bewegen door de matrix zonder spanning te verliezen. Alle indicatoren in deze sector zijn negatief.

De positieve elektrode van een lithiumbatterij bestaat uitsluitend uit kobalt- of nikkeloxiden, evenals lithium-mangaan-spinellen. Tijdens de ontlading bewegen lithiumionen zich weg van de koolstofkern en dringen, na te hebben gereageerd met zuurstof, de kathode binnen en rennen naar buiten, maar ze kunnen het batterijlichaam niet verlaten. Geladen lithiumionen verliezen hun spanning en blijven op het anodeoppervlak totdat het lithium is opgeladen. Tijdens het opladen vindt het hele proces in omgekeerde volgorde plaats.

Ontwerp van lithium-ionbatterij

Net als een alkalibatterij wordt een lithiumbatterij vervaardigd in een cilindrische vorm of kan deze prismatisch van vorm zijn. Een cilindrische batterij gebruikt gerolde elektroden als kern, geïsoleerd met een speciale schaal en geplaatst in een metalen behuizing, die is verbonden met negatief geladen elementen. Om de polariteit te behouden, bevindt het negatieve contact zich aan de onderkant en het positieve contact aan de bovenkant van het onderdeel, en deze elementen mogen elkaar niet raken, anders zal de stroom door de geleider circuleren, wat tot spontane ontlading zal leiden.

De prismatische vorm van een lithium-ionbatterij is vrij gebruikelijk. In dit ontwerp wordt de kern gevormd door speciale platen op elkaar te stapelen, die zich op een minimale afstand van elkaar bevinden. Dit systeem zorgt voor hogere technische prestaties, maar door de strakke pasvorm van de platen terwijl de batterijen worden opgeladen, kan de kern oververhit raken en zal het gaas smelten, wat leidt tot een afname van de productiviteit van de onderdelen.

Je kunt vaak een gecombineerd apparaatsysteem met lithium-ionbatterijen vinden, waarbij elektroden op een rol worden gerold en tot een ovale cilinder worden gevormd. Tegelijkertijd worden de regels van een vloeiende overgang in acht genomen en tegelijkertijd imiteert het rechte gedeelte de plaatvorm. Dergelijke batterijen hebben de kenmerken van beide soorten producten, hun levensduur is veel langer.

Tijdens de chemische reactie en werking van de batterij worden in de behuizing gassen gevormd die schadelijke stoffen bevatten. Om deze dampen snel te verwijderen, is er bij lithium-ionbatterijen een uitlaat aanwezig, die op de banken is aangesloten en het opgehoopte gas onmiddellijk uit de batterijholte verwijdert. Sommige krachtige batterijen zijn uitgerust met een speciale klep die wordt geactiveerd tijdens kritische dampophoping.

De lithium-ionbatterij controleren

Lithiumladingen in de batterij vereisen periodieke controle, ondanks het feit dat de gespecificeerde batterij als onderhoudsvrij wordt beschouwd. Omdat de behuizing verzegeld is, moet de batterij toch worden gecontroleerd met een speciaal apparaat.

De inspectie begint altijd met een externe inspectie, waarbij de carrosserie van het onderdeel wordt gecontroleerd op scheuren en vervormingen. De accupolen worden ook geïnspecteerd en gereinigd van oxidatie en andere verontreinigingen.

Belangrijk! Het is noodzakelijk om de batterij schoon te houden en te voorkomen dat de contacten met elkaar worden kortgesloten, omdat dit kan leiden tot een volledige ontlading van de batterij, wat zeer problematisch zal zijn om te herstellen.

Om de interne toestand van de kern te controleren, wordt een laadstekker gebruikt, die op de klemmen is aangesloten en de nominale spanning in het netwerk meet. Vervolgens wordt de batterij ontladen en leest het apparaat indicatoren van stroombehoud in het onderdeel. Het is belangrijk op te merken dat de batterij tijdens het testen volledig moet zijn opgeladen, anders zijn de metingen onnauwkeurig.

Toepassingen van lithium-ionbatterijen

Lithium-ionbatterijen worden in veel toepassingen gebruikt, afhankelijk van hun configuratie, vorm en spanningswaarde. Het meest voorkomende gebruik van batterijen vindt plaats in de auto-industrie; elk voertuig heeft zijn eigen stroombron, die verantwoordelijk is voor het starten van de auto en het uitvoeren van andere functies.

Deze batterijen worden ook gebruikt in mobiele apparaten, laptops en andere gadgets. Het ontwerp van dergelijke batterijen is vergelijkbaar met autobatterijen, het enige verschil zijn de afmetingen van de producten, die de grootte van een luciferdoosje kunnen hebben.

Onlangs is het populair geworden om lithium-ionbatterijen te introduceren in ononderbroken energiesystemen thuis en als noodstroombron, terwijl de batterij permanent is verbonden met het centrale netwerk. Terwijl de apparaten in werking zijn, wordt de batterij opgeladen via een eenvoudige krachtcentrale, en wanneer de stroom wordt uitgeschakeld, begint deze automatisch stroom aan de consument te leveren. In dit geval moet de oplaadbare batterij correct worden geplaatst en worden voorzien van beveiligingssystemen tegen oververhitting.

Video