Baterii litiu-ion Baterii Li-ion

Cele mai puternice baterii sunt bateriile cu litiu. Au cea mai mare densitate de energie cu cea mai mică construcție. Datorită densității mari de energie a celulelor de litiu, acestea sunt deosebit de potrivite pentru dispozitivele mobile. Bateriile cu litiu sunt utilizate pe scară largă în articole portabile, smartphone-uri, tablete, camere digitale și notebook-uri.
Cu toate acestea, bateriile cu litiu sunt scumpe și sunt mult mai sensibile la manipularea incorectă decât alte baterii. În plus, sunt absolut toxice pentru mediu. Dar oferă un nivel ridicat de confort. Acestea rămân funcționale timp de aproximativ 5 ani, cu o pierdere de capacitate.

Tensiunea nominală a celulelor de litiu depinde de materialul electrodului și este de 3,6 sau 3,7 V. Datorită tensiunii mai mari, acestea nu sunt potrivite pentru înlocuirea bateriilor reîncărcabile (1,2 V) și a bateriilor (1,5 V) în AA - sau design AAA.

Piața dispozitivelor mici, cu baterii, arată o tendință spre miniaturizare. În același timp, cerințele de energie ale unor astfel de sisteme sunt în creștere. Acesta este motivul pentru care se efectuează cercetări pe baterii și mai puternice, deși aici există doar pași mici de dezvoltare.

Notă: Tinkering cu celule de litiu nu este pentru începători și electronice începători. Riscul de explozie din cauza circuitelor de încărcare incorecte sau defecte este mult prea mare.
Deoarece bateriile cu litiu sunt sensibile la supraîncărcare și descărcare profundă, aparatele electronice sunt încorporate în acumulator pentru a le proteja de supraîncărcare și supraîncărcare.

Prezentare generală: baterii cu litiu

Litiu-ion (Li (NixCoyMnz) O2): răspândit, dăunător mediului
Fosfat de litiu-fier (LiFePO4): inofensiv, efect de memorie, circuit de încărcare complicat necesar
Oxid de litiu-cobalt (LiCoO2): cel mai scump, cu cea mai mare densitate de energie, periculos

Construcția celulelor litiu-ion

O celulă litiu-ion este formată dintr-un electrod de grafit (negativ) și un electrod de oxid de litiu metalic (pozitiv). Oxidul de litiu metalic poate avea proporții variabile de nichel, mangan și cobalt (de exemplu Li (NixCoyMnz) O2). Aceste materiale NMC au o densitate ridicată a energiei și sunt prima alegere pentru dispozitivele mici. Chiar dacă sunt mai scumpe și potențial nesigure. Compoziția exactă are un impact asupra proprietăților bateriei litiu-ion și variază în funcție de producător și de calitate. Prin urmare, nu este posibil să se facă declarații exacte despre capacitatea și durata de viață.

Purtătorii de încărcare sunt ionii de litiu. Sunt de dimensiuni mici și foarte mobile. Când celula se încarcă, acestea sunt depuse între straturile moleculare ale grafitului. La descărcare, ionii de litiu migrează înapoi la electrodul de oxid de litiu metalic.

Litiul este cel mai ușor metal și reacționează violent cu apa. De aceea se folosește ca electrolit un solvent anhidru, dar inflamabil. Solventul este motivul pentru care există rapoarte ocazionale despre explozia sau arderea bateriilor cu litiu. Electrolitul s-a aprins. Motivele mai precise sunt variate. De regulă, retragerea bateriilor are loc atunci când sunt descoperite baterii cu litiu defecte.
Electrozii sunt separați printr-un separator pentru a preveni un scurtcircuit între electrozi. Separatorul este permeabil la ionii de litiu. Catodul acționează ca un burete. Poate conține un număr atât de mare de ioni. Acest lucru creează o densitate de energie de 180 Wh/kg și mai mult.

Funcția de încărcare și descărcare

Încărcarea are loc utilizând procesul de încărcare I/U, în care bateria este încărcată mai întâi cu curent constant și apoi cu tensiune constantă. Ionii de litiu migrează în grafit și se colectează între nivelurile moleculare. La descărcare, ionii de litiu migrează înapoi la electrodul de oxid de litiu metalic.

Tensiunea la sfârșitul sarcinii este de 4,1 sau 4,2 volți și trebuie respectată cu o precizie de 50 milivolți. În caz contrar, celula va fi distrusă. Cea mai mică limită de tensiune este de 2,5 volți. Celula este deteriorată dedesubt.
Pentru a preveni deteriorarea celulelor, fiecare acumulator are propriile electronice de încărcare și protecție. Monitorizează respectarea valorilor limită în timpul încărcării și descărcării. Este adaptat celulelor de litiu.
În funcție de calitatea bateriei litiu-ion, aceasta poate face față doar câteva sute de cicluri de încărcare până când capacitatea de stocare scade semnificativ. Încărcarea regulată a unei baterii pe jumătate încărcate nu afectează capacitatea totală.

Pentru a economisi bateria, aceasta nu trebuie încărcată cu peste 90% sau descărcată cu mai puțin de 10%, dacă este posibil. Unele notebook-uri oferă o opțiune de setare pentru acest lucru. Cu toate acestea, nu este posibil să se estimeze exact cât va dura bateria. Poate îl puteți folosi încă un an.

Îmbătrânire

Îmbătrânirea bateriilor litiu-ion este cauzată de oxidarea celulelor. Electrozii se oxidează. Aceștia își pierd capacitatea de a stoca ioni de litiu, care sunt necesari pentru fluxul de energie electrică. Oxidarea celulelor este influențată de diverși factori. De exemplu, prin temperatura și starea de încărcare a bateriei. Oxidarea celulelor se dezvoltă deosebit de rapid la temperaturi ridicate și o baterie complet încărcată. Această afecțiune apare de ex. B. în notebook-uri, acest lucru se întâmplă adesea când bateria este complet încărcată și dispozitivul este în funcțiune și se încălzește în același timp. Căldura este transferată la baterie.

depozitare

Dacă doriți să stocați o baterie litiu-ion, atunci ar trebui să o încărcați pe jumătate. Starea optimă de încărcare este între 50% și 80%. Se păstrează la temperatura camerei, mai bine protejat de umezeală în frigider (nu un răcitor). Chiar înainte de a dori să-l utilizați din nou, îl încărcați complet la temperatura camerei.

Dacă o baterie litiu-ion trebuie să fie stocată pentru o perioadă mai lungă de timp, starea de încărcare trebuie verificată în mod regulat. Auto-descărcarea de 1% pe lună este extrem de scăzută, dar puternic dependentă de temperatură. Bateriile litiu-ion trebuie reîncărcate la fiecare 3 până la 4 luni pentru a evita descărcarea profundă. Dacă o celulă atinge o tensiune sub 2 volți, celula poate fi distrusă.

Atunci când achiziționați baterii litiu-ion, trebuie întotdeauna să vă așteptați ca bateriile să renunțe prematur. Mai ales cu baterii care provin din Orientul Îndepărtat sau care au fost pe drum pentru o perioadă mai lungă de timp. Acest lucru se aplică și bateriilor de schimb care ar fi putut fi depozitate de mult timp. Dacă o baterie este ruptă, aceasta poate fi reparată. În caz contrar, atunci bateria trebuie aruncată la comerciant sau ca deșeuri periculoase.

Îngrijirea bateriei

Schimbările chimice ale electrolitului și oxidarea electrozilor sunt principalele cauze ale îmbătrânirii. Bateriile litiu-ion își pierd capacitatea după 2 până la 3 ani este doar o regulă generală. Dacă o baterie cu litiu durează doar 1 sau poate 5 ani depinde de temperatura de procesare, utilizare și funcționare. O manipulare atentă recompensează o baterie cu litiu cu o durată de viață mai lungă.

Evitați temperaturile peste 40 ° C
Evitați încărcarea și descărcarea completă
Încărcați la peste 90% din capacitatea sa cât mai rar posibil
Lăsați mai puțin de 10 la sută inactiv dacă este posibil

Cu toate acestea, urmărirea constantă a acestor sfaturi este foarte greoaie. În ceea ce privește taxa, unele sisteme de operare pot fi setate în consecință. Deoarece dispozitivele electronice se încălzesc considerabil în timpul funcționării, utilizatorul are o influență mai mică asupra acestora.
Cu toate acestea, dacă tratați o baterie cu îngrijire adecvată, durata de viață poate fi extinsă de la 3 la 4 ani.

Densitatea energiei

Comparativ cu alte baterii, bateriile cu litiu au cea mai mare densitate de energie. Acestea stochează aproape de două ori mai multă energie decât bateriile NiMH, care au aceeași dimensiune și greutate.
Densitatea energetică a bateriilor litiu-ion este determinată în principal de materialul catodic. Oxidul de cobalt cu o densitate energetică de până la 180 Wh/kg este comun. Cu litiu-cobalt nichel (LiNiCo) puteți obține chiar și până la 240 Wh/kg. Tendința este mai mult către o densitate mai mică de energie de până la 170 Wh/kg. Pe de altă parte, bateriile pot rezista semnificativ la mai mult de 500 de cicluri de încărcare și, astfel, au o durată de viață mai lungă.

Baterii litiu-polimerice (Li-Pol)

Bateriile litiu-polimer sunt o dezvoltare ulterioară a bateriilor litiu-ion. Nu conțin substanțe chimice lichide, ci doar componente solide sau asemănătoare unui gel. Prin urmare, sunt etanșe și puteți face fără o carcasă metalică de protecție. Acest lucru are ca rezultat și mai multe modele în care sunt posibile celule cu grosimea de 1 milimetru. De exemplu, cavitățile din dispozitivele portabile pot fi utilizate în mod optim. De exemplu, cu dispozitive portabile și în special smartphone-uri plate.

Baterie de aer cu litiu

Bateriile litiu-aer pot stoca între 10 și 20 de ori mai multă energie (11 kWh/kg) decât bateriile litiu-ion de aceeași greutate.
În bateriile litiu-aer, oxigenul din aer reacționează în porii unui electrod mezoporos de carbon cu o dimensiune de câțiva nanometri cu Li + pentru a forma peroxid de litiu Li2O2. Contra electrodul este format din litiu elementar. Eterul este folosit ca electrolit, de ex. B. tetrahidrofuran, în care ionii de litiu se pot dizolva.
Cu toate acestea, electrodul de carbon se corodează după câteva cicluri de încărcare. În plus, lichidul electrolitic se descompune foarte repede. Acest lucru limitează utilizarea sa practică.

Baterie litiu-ion în viitor

În ultimii ani, dezvoltarea a condus la baterii litiu-ion și litiu-polimer, care pot stoca din ce în ce mai multă energie. Această densitate de energie este departe de a fi suficientă pentru cerințele dispozitivelor mobile mici.
Ca alternativă, s-au efectuat cercetări asupra pilelor de combustibil cu metanol ca combustibil (DMFC). Din păcate, prototipurile nu depășesc statutul de dezvoltare. Se pare că producătorii sunt mulțumiți să dezvolte surse de alimentare staționare neîntreruptibile (UPS).
Așadar, există suficiente îmbunătățiri ale bateriilor litiu-ion și litiu-polimer. Nanotehnologia în special (lucrul cu particule mici) dă un nou impuls.
Succesele din trecut în dezvoltarea bateriilor litiu-ion sugerează că va fi posibil să parcurgi 500 de kilometri în vehicule hibride înainte de a fi nevoit să realimentezi. Atunci nu mai aveți nevoie de pile de combustibil.