- Istoria bateriei litiu-ion
- Chimie și funcționare a bateriei Li-ion
- Introducere în bateriile cu ioni de litiu
- Cel mai simplu mod de a utiliza o celulă 18650
- Acumulator Li-ion (celule în serie și paralele)
Cu excepția cazului în care unii Tony Stark intervin și inventează reactorul Arc sau cercetarea în Sateliții de energie solară (SPS) pentru transferul wireless de energie, noi oamenii trebuie să depindem de baterii pentru alimentarea dispozitivelor noastre electronice portabile sau de la distanță. Cel mai obișnuit tip de baterii reîncărcabile pe care îl găsiți în electronica de larg consum este fie ionul de litiu, fie cel de tip polimer de litiu. În acest articol, interesul nostru ar fi asupra bateriilor Li-ion, deoarece acestea tind să fie mai utile decât toate celelalte tipuri. Fie că este vorba de o mică bancă de energie sau un laptop sau ceva la fel de mare ca noul model 3 al Tesla, totul este alimentat de o baterie litiu-ion.
Ce face ca aceste baterii să fie speciale? Ce ar trebui să știți despre asta înainte de a utiliza unul în proiectele / proiectele dvs.? Cum veți încărca sau descărca aceste baterii în siguranță? Dacă sunteți curioși să aflați răspunsurile la toate aceste întrebări, atunci ați ajuns la articolul potrivit, stați pe loc și citiți în timp ce voi încerca să păstrez acest lucru cât mai interesant posibil.
Istoria bateriei litiu-ion
Ideea bateriei cu litiu-ion a fost inventată pentru prima dată de GN Lewis în 1912, dar a devenit fezabilă abia în anii 1970 și prima baterie cu litiu care nu se reîncarcă a fost introdusă pe piețele comerciale. Mai târziu, în anii 1980, inginerii au încercat să producă prima baterie reîncărcabilă folosind litiu ca material anodic și au avut parțial succes. Nu au observat că aceste tipuri de baterii cu litiu au fost instabile în timpul procesului de încărcare și ar crea un scurtcircuit în interiorul bateriei, crescând temperatura și provocând o fugă termică.
În 1991, o astfel de baterie de litiu folosită în mobil a explodat pe fața unui bărbat în Japonia. Abia după acest incident, s-a realizat că bateriile Li-ion trebuie manipulate cu extremă prudență. Un număr mare din aceste tipuri de baterii care erau pe piață au fost apoi reamintite de producători din cauza problemelor de siguranță. Mai târziu, după multe cercetări, Sony a introdus bateriile Li-ion avansate cu o nouă substanță chimică care este utilizată până în prezent. Să încheiem lecțiile de istorie aici și să analizăm chimia unei baterii cu litiu-ion.
Chimie și funcționare a bateriei Li-ion
După cum indică în mod evident, bateriile cu litiu-ion folosesc ionii de litiu pentru a face treaba. Litiul este un metal foarte ușor, cu o densitate ridicată a energiei, această proprietate permite bateriei să aibă o greutate redusă și să ofere curent mare cu un factor de formă mic. Densitatea energiei este cantitatea de energie care poate fi stocată pe unitate de volum a bateriei, cu cât densitatea energiei este mai mare, cu atât va fi mai mică bateria. În ciuda proprietăților copleșitoare ale litiului metalic, acesta nu poate fi utilizat ca electrod direct în baterii, deoarece litiul este extrem de instabil datorită naturii sale metalice. Prin urmare, folosim ioni de litiu care au mai mult sau mai puțin aceeași proprietate a unui metal de litiu, dar este nemetalic și este relativ mai sigur de utilizat.
În mod normal, anodul unei baterii cu litiu este fabricat din carbon, iar catodul bateriei este fabricat cu oxid de cobalt sau alt oxid de metal. Electrolitul utilizat pentru conectarea acestor doi electrozi va fi o soluție simplă de sare care conține ioni de litiu. La descărcare, ionii de litiu încărcați pozitiv se deplasează spre catod și îl bombardează până când devine încărcat pozitiv. Acum, deoarece catodul este încărcat pozitiv, acesta atrage spre el electroni încărcați negativ. Acești electroni sunt făcuți să curgă prin circuitul nostru alimentând astfel circuitul.
În mod similar, în timpul încărcării, se întâmplă exact opusul. Electronii din sarcini curg în baterie și, prin urmare, ionii de litiu se deplasează spre anod, făcând catodul să-și piardă sarcina pozitivă.
Introducere în bateriile cu ioni de litiu
Suficient de teorie cu privire la bateriile cu ioni de litiu, acum să aflăm practic despre aceste celule, astfel încât să putem avea încredere în ele pentru utilizarea acesteia în proiectele noastre. Cea mai utilizată baterie litiu-ion este celulele 18650, deci vom discuta despre acest lucru în acest articol. O celulă tipică 18650 este prezentată în imaginea de mai jos
La fel ca toate bateriile, bateria Li-ion are, de asemenea, o tensiune și o capacitate nominale. Tensiunea nominală nominală pentru toate celulele cu litiu va fi de 3,6V, deci aveți nevoie de specificații de tensiune mai mare, trebuie să combinați două sau mai multe celule în serie pentru ao atinge. În mod implicit, toate celulele litiu-ion vor avea o tensiune nominală de numai ~ 3,6V. Această tensiune poate fi lăsată să coboare până la 3,2V când este complet descărcată și să ajungă până la 4,2V când este complet încărcată. Amintiți-vă întotdeauna că descărcarea bateriei sub 3.2V sau încărcarea acesteia peste 4.2V va deteriora bateria permanent și ar putea deveni și o rețetă pentru artificii. Permite defalcarea terminologiilor implicate într-o baterie 18650, astfel încât să putem înțelege mai bine. Rețineți că aceste explicații sunt aplicabile doar pentru o singură celulă 18650, vom intra mai mult în pachetele de baterii Li-ion mai târziu, unde mai multe celule sunt conectate în serie sau paralel pentru a obține tensiuni și curenți mult mai mari.
Tensiune nominală: Tensiunea nominală este tensiunea nominală reală a unei celule 18650. În mod implicit, acesta este de 3,6 V și va rămâne același pentru toate cele 18650 de celule, în ciuda producătorilor săi.
Tensiune completă de descărcare: o celulă 18650 nu ar trebui să se permită niciodată să se descarce sub 3,2 V, în caz contrar, va altera rezistența internă a bateriei, care va deteriora bateria permanent și ar putea duce, de asemenea, la explozie
Tensiune de încărcare completă: Tensiunea de încărcare pentru celula litiu-ion este de 4,2V. Trebuie avut grijă ca tensiunea celulei să nu crească 4,2 V la un moment dat.
Rating mAh: Capacitatea unei celule este dată în mod normal în termeni de rating mAh (Milli Ampere hour). Această valoare va varia în funcție de tipul de celulă pe care ați achiziționat-o. De exemplu, să presupunem că celula noastră este de 2000mAh, care nu este altceva decât 2Ah (Ampere / oră). Aceasta înseamnă că, dacă extragem 2A din această baterie, va dura 1 oră și, în mod similar, dacă extragem 1A din această baterie, va dura 2 ore. Deci, dacă doriți să știți cât timp va alimenta bateria proiectați (timp de rulare), atunci trebuie să o calculați folosind mAh Rating.
Timp de rulare (în ore) = curent extras / mAh Rating
Unde, curentul extras ar trebui să se încadreze în limita de rating C.
Rating C: Dacă v-ați întrebat vreodată care este cantitatea maximă de curent pe care o puteți extrage dintr-o baterie, atunci răspunsul dvs. poate fi obținut din ratingul C al bateriei. Ratingul C al bateriei se schimbă din nou pentru fiecare baterie, să presupunem că bateria pe care o avem este o baterie de 2Ah cu rating 3C. Valoarea 3C înseamnă că bateria poate emite de 3 ori valoarea nominală Ah ca curentul său maxim. În acest caz, poate furniza până la 6A (3 * 2 = 6) ca curent maxim. În mod normal, 18650 de celule au un rating 1C numai.
Curent maxim extras din baterie = C Rating * Ah Rating
Curent de încărcare: o altă specificație importantă a unei baterii de observat este curentul său de încărcare. Doar pentru că o baterie poate furniza un curent maxim de 6A nu înseamnă că se poate încărca cu 6A. Curentul maxim de încărcare al unei baterii va fi menționat în fișa tehnică a bateriei, deoarece variază în funcție de baterie. În mod normal, va fi 0,5C, ceea ce înseamnă jumătate din valoarea ratingului Ah. Pentru o baterie de 2Ah, curentul de încărcare va fi de 1A (0,5 * 2 = 1).
Timp de încărcare: Timpul minim de încărcare necesar pentru încărcarea unei singure celule 18650 poate fi calculat folosind valoarea curentului de încărcare și valoarea nominală Ah a bateriei. De exemplu, o încărcare a bateriei de 2 Ah cu curent de încărcare de 1 A va dura aproximativ 2 ore pentru a se încărca, presupunând că încărcătorul folosește doar metoda CC pentru a încărca celula.
Rezistența internă (IR): Sănătatea și capacitatea unei baterii pot fi prezise prin măsurarea rezistenței interne a bateriei. Aceasta nu este altceva decât valoarea rezistenței dintre bornele anodice (pozitive) și catodice (negative) ale bateriei. Valoarea tipică a IR a unei celule va fi menționată în foaia de date. Cu cât derivă mai mult din valoarea reală, cu atât va fi mai puțin eficientă bateria. Valoarea IR pentru o celulă 18650 va fi în intervalul de mili ohmi și există instrumente dedicate pentru măsurarea valorii IR.
Metode de încărcare: Există multe metode care se practică pentru a încărca o celulă li-ion. Dar cea mai frecvent utilizată este topologia în 3 pași. Cei trei pași sunt încărcarea CC, CV și prelungire. În modul CC (curent constant), celula este încărcată cu un curent de încărcare constant prin variația tensiunii de intrare. Acest mod va fi activ până când bateria se încarcă la un anumit nivel, apoi CV - ul (tensiune constantă)modul pornește acolo unde tensiunea de încărcare este menținută de obicei la 4,2V. Modul final este încărcarea prin impulsuri sau încărcarea prin scurgeri în care impulsurile mici de curent sunt transmise bateriei pentru a îmbunătăți ciclul de viață al bateriei. Există, de asemenea, încărcătoare mult mai complexe care implică 7 pași de încărcare. Nu vom aprofunda mult acest subiect, deoarece este departe de sfera acestui articol. Dar dacă sunteți interesat să știți menționarea în secțiunea de comentarii și îmi permiteți să scriu un articol separat despre încărcarea celulelor Li-ion.
Stare de încărcare (SOC)%: starea de încărcare nu este altceva decât capacitatea bateriei, asemănătoare cu cele afișate în telefonul nostru mobil. Capacitatea unei baterii nu poate fi calculată în mod clar cu supapa de tensiune, ea este calculată în mod normal folosind integrarea curentului pentru a determina modificarea capacității bateriei în timp.
Adâncimea descărcării (DOD)%: Cât de departe poate fi descărcată bateria este dată de DOD. Nicio baterie nu va avea descărcări 100%, deoarece, după cum știm, va deteriora bateria. În mod normal, o adâncime de descărcare de 80% este setată pentru toate bateriile.
Dimensiunea celulei: o altă caracteristică unică și interesantă a celulei 18650 este dimensiunea sa. Fiecare celulă va avea un diametru de 18 mm și o înălțime de 650 mm, ceea ce face ca această celulă să poarte numele 18650.
Dacă doriți mai multe definiții terminologice, consultați documentația terminologiilor bateriei MIT, unde sunteți sigur că veți găsi mai mulți parametri tehnici legați de o baterie.
Cel mai simplu mod de a utiliza o celulă 18650
Dacă sunteți un începător complet și abia începeți cu 18650 de celule pentru a vă alimenta proiectul, atunci cel mai simplu mod ar fi să utilizați module readymade care vă pot încărca și descărca în siguranță celulele 18650. Numai un astfel de modul este modulul TP4056 care poate gestiona o singură celulă 18650.
Dacă proiectați necesită mai mult de 3,6 V ca tensiune de intrare, atunci vă recomandăm să combinați două 18650 de celule în serie pentru a obține o tensiune de 7,4 V. În acest caz, utilizați un modul cum ar fi modulul de baterie Li-ion 2S 3A ar trebui să fie util pentru încărcarea și descărcarea bateriilor în siguranță.
Pentru a combina două sau mai multe celule 18650 nu putem folosi tehnica convențională de lipire pentru a face conexiunea între ambele, în schimb se folosește un proces numit sudare prin puncte. De asemenea, în timp ce combinați 18650 de celule în serie sau paralel, trebuie acordată mai multă atenție, ceea ce este discutat în paragraful următor.
Acumulator Li-ion (celule în serie și paralele)
Pentru a alimenta electronice portabile mici sau dispozitive mici, o singură celulă 18650 sau cel mult o pereche de ele în serie ar face trucul. În acest tip de aplicație complexitatea este mai mică, deoarece numărul de baterii implicate este mai mic. Dar pentru aplicații mai mari, cum ar fi un ciclu electric / motoret sau o mașină Tesla, va trebui să conectăm o mulțime de aceste celule în serie și în mod paralel pentru a atinge tensiunea și capacitatea de ieșire dorite. De exemplu, mașina Tesla conține peste 6800 de celule de litiu, fiecare având un rating de 3,7 V și 3,1 Ah. Imaginea de mai jos arată cum este aranjat în interiorul șasiului mașinii.
Cu acest număr mare de celule de monitorizat, avem nevoie de un circuit dedicat care să poată încărca, monitoriza și descărca aceste celule în siguranță. Acest sistem dedicat se numește Sistem de monitorizare a bateriei (BMS). Sarcina BMS este de a monitoriza tensiunea individuală a celulei fiecărei celule litiu-ion și, de asemenea, de a verifica temperatura acesteia. În afară de aceasta, unele BMS monitorizează și curentul de încărcare și descărcare al sistemului.
Atunci când combinați mai mult de două celule pentru a forma un pachet, trebuie să aveți grijă ca acestea să aibă aceeași chimie, tensiune, rating Ah și rezistență internă. De asemenea, în timpul încărcării celulelor, BMS se asigură că acestea sunt încărcate uniform și descărcate uniform, astfel încât, la un moment dat, toate bateriile să mențină aceeași tensiune, aceasta se numește echilibrare celulară. În afară de aceasta, designerul trebuie să se îngrijoreze și de răcirea acestor baterii în timpul încărcării și descărcării, deoarece acestea nu răspund bine la temperaturi ridicate.
Sper că acest articol v-a furnizat suficiente detalii pentru a vă încrede puțin în celulele Li-ion. Dacă aveți îndoieli specifice, nu ezitați să lăsați secțiunea de comentarii și voi încerca tot posibilul să răspund. Până atunci fericitul fericit.