- Историја литијум-јонских батерија
- Ли-јонска батерија Хемија и рад
- Увод у литијум-јонске батерије
- Најлакши начин употребе ћелије 18650
- Ли-ион батерија (серијске и паралелне ћелије)
Уколико се неки Тони Старк не умеша и не измисли реактор за електролучно лучење или истраживање соларних сателита (СПС) за бежични пренос енергије, ми људи морамо да зависимо од батерија за напајање наших преносних или даљинских електронских уређаја. Најчешћи тип пуњивих батерија који налазите у потрошачкој електроници је литијум-јонски или литијум-полимерни тип. У овом чланку наш интерес био би за Ли-ион батерије, јер су корисније од свих осталих врста. Била то мала банка напајања или лаптоп или нешто велико попут Теслиног новог модела 3, све се напаја из литијум-јонске батерије.
По чему су ове батерије посебне? Шта бисте требали знати о томе пре него што га употребите у својим пројектима? Како ћете безбедно напунити или испразнити ове батерије? Ако сте знатижељни да знате одговоре на сва ова питања, нашли сте се на правом чланку, само се наслоните и прочитајте док ћу ја покушати да ово учини што занимљивијим.
Историја литијум-јонских батерија
Идеју о литијум-јонској батерији први пут је сковао ГН Левис 1912. године, али је то постало изводљиво тек 1970-их и прва литијумска батерија која се не може пунити пуштена је у промет. Касније 1980-их инжењери су покушали да направе прву пуњиву батерију користећи литијум као анодни материјал и били су делимично успешни. Нису приметили да су ове врсте литијумских батерија биле нестабилне током процеса пуњења и да би створило кратки спој унутар батерије повећавајући температуру и узрокујући топлотни одбег.
1991. године једна таква литијумска батерија која се користи у мобилном уређају експлодирала је над човековим лицем у Јапану. Тек након овог инцидента схватило се да са Ли-ион батеријама треба поступати изузетно опрезно. Огроман број ових врста батерија које су се појавиле на тржишту произвођачи су их опозвали због сигурносних питања. Касније, након много истраживања, Сони је представио напредне Ли-ион батерије са новом хемијом која се користи до данас. Завршимо овде часове историје и погледајмо хемију литијум-јонске батерије.
Ли-јонска батерија Хемија и рад
Као што назив очигледно указује, литијум-јонске батерије користе литијум-јоне да би обавиле посао. Литијум је врло лаган метал са великом густином енергије, ово својство омогућава батерији да буде лагане тежине и пружа велику струју са малим факторима облика. Густина енергије је количина енергије која се може ускладиштити у јединици запремине батерије, што је већа густина енергије то ће батерија бити мања. Упркос огромним својствима литијумског метала, не може се користити као електрода директно у батеријама, јер је литијум због своје металне природе изузетно нестабилан. Стога користимо литијум-јоне који мање или више имају исто својство метала литијума, али су неметални и релативно су сигурнији за употребу.
Обично је анода литијумске батерије направљена од угљеника, а катода батерије израђена је од кобалтовог оксида или неког другог металног оксида. Електролит који се користи за повезивање ове две електроде биће једноставан раствор соли који садржи литијумове јоне. При пражњењу позитивно наелектрисаних литијумових јона крећите се према катоди и бомбардирајте је док не постане позитивно наелектрисана. Пошто је катода позитивно наелектрисана, привлачи негативно наелектрисане електроне ка себи. Ови електрони су створени да теку кроз наш круг и тако напајају круг.
Слично се током пуњења догађа управо супротно. Електрони из наелектрисања се уливају у батерију и стога се литијумови јони крећу према аноди чинећи да катода изгуби позитивно наелектрисање.
Увод у литијум-јонске батерије
Доста је теорије о литијум-јонским батеријама, хајде сада да практично упознамо ове ћелије како бисмо били сигурни у то што их користе у нашим пројектима. Литијум-јонска батерија која се најчешће користи је ћелија 18650, па ћемо о томе расправљати у овом чланку. Типична ћелија 18650 приказана је на доњој слици
Као и све батерије, Ли-ион батерија такође има напон и капацитет. Номинални напон за све литијумске ћелије биће 3,6 В, тако да су вам потребне спецификације већег напона, морате комбиновати две или више ћелија у серију да бисте то постигли. Подразумевано ће све литијум-јонске ћелије имати номинални напон од само ~ 3.6В. Овај напон се може спустити до 3,2 В када се потпуно испразни и попети се до 4,2 В када је потпуно напуњен. Увек имајте на уму да ће пражњење батерије испод 3,2 В или пуњење изнад 4,2 В трајно оштетити батерију и можда ће постати рецепт за ватромет. Омогућујемо рашчламбу терминологија укључених у батерију 18650 како бисмо могли боље да разумемо. Имајте на уму да су ова објашњења применљива само за једну ћелију од 18650, касније ћемо убацити више у Ли-ион батерије, где је више од једне ћелије повезано у серију или паралелно да би се постигле много веће вредности напона и струје.
Номинални напон: Номинални напон је стварни називни напон ћелије 18650. Подразумевано је 3.6В и остаће исти за свих 18650 ћелија упркос производњи.
Пуни напон пражњења: Ћелији 18650 никада не би требало дозволити да се испразне испод 3,2 В, ако то не учине, промијениће се унутрашњи отпор батерије што ће трајно оштетити батерију и може довести до експлозије
Напон пуног пуњења: Напон пуњења за литијум-јонску ћелију је 4,2В. Треба водити рачуна да напон ћелије не порасте за 4,2 В у било ком тренутку.
Оцена мАх: Капацитет ћелије се обично даје у смислу оцене мАх (Милли Ампере сат). Ова вредност ће се разликовати у зависности од врсте ћелије коју сте купили. На пример, претпоставимо да је наша ћелија овде 2000мАх што је ништа друго до 2Ах (Ампер / сат). То значи да ће, ако из ове батерије извучемо 2А, трајати 1 сат, а слично ако из ове батерије извучемо 1А, трајаће 2 сата. Дакле, ако желите да знате колико дуго ће батерија напајати ваш пројекат (време рада), морате то израчунати помоћу оцене мАх.
Време рада (у сатима) = Тренутна потрошња / оцена мАх
При чему, подвучена струја треба да буде у границама оцене Ц.
Оцена Ц: Ако сте се икад запитали која је максимална количина струје коју можете извући из батерије, ваш одговор можете добити из оцене Ц батерије. Оцена батерије поново се мења за сваку батерију, претпоставимо да је батерија која имамо 2Ах са оценом 3Ц. Вредност 3Ц значи да батерија може дати 3 пута већу од номиналне вредности Ах као максимална струја. У овом случају може напајати до 6А (3 * 2 = 6) као максималну струју. Обично 18650 ћелија има само оцену 1Ц.
Максимална струја извучена из батерије = Ц Оцена * Ах Оцена
Струја пуњења: Још једна важна спецификација батерије коју треба приметити је њена струја пуњења. Само зато што батерија може да напаја максималну струју од 6А не значи да се може пунити са 6А. Максимална струја пуњења батерије биће наведена у техничком листу батерије, јер се она разликује у зависности од батерије. Уобичајено ће бити 0,5 ° Ц, што значи половину вредности Ах оцене. За батерију од 2Ах струја пуњења ће бити 1А (0,5 * 2 = 1).
Време пуњења: Минимално време пуњења потребно за пуњење поједине ћелије од 18650 може се израчунати коришћењем вредности струје пуњења и Ах оцене батерије. На пример, пуњењу батерије од 2Ах са струјом пуњења од 1А биће потребно приближно 2 сата, под претпоставком да пуњач користи само ЦЦ методу за пуњење ћелије.
Унутрашњи отпор (ИР): Здравље и капацитет батерије могу се предвидети мерењем унутрашњег отпора батерије. Ово није ништа друго до вредност отпора између анодног (позитивног) и катодног (негативног) терминала батерије. Типична вредност ИР ћелије биће наведена у техничком листу. Што се више удаљава од стварне вредности, батерија ће бити мање ефикасна. Вредност ИР за ћелију 18650 кретаће се у опсегу мили ома, а постоје посебни инструменти за мерење вредности ИР.
Методе пуњења: Много је метода које се увежбавају за пуњење ли-јонске ћелије. Али најчешће коришћена је топологија у 3 корака. Три корака су ЦЦ, ЦВ и пуњење. У режиму ЦЦ (константна струја) ћелија се пуни константном струјом пуњења променом улазног напона. Овај режим ће бити активан док се батерија не напуни до одређеног нивоа, а затим ЦВ (константни напон)режим почиње тамо где се напон пуњења обично одржава на 4.2В. Коначни режим је пулсно пуњење или пуњење током кога се мали импулси струје преносе на батерију ради побољшања животног циклуса батерије. Постоје и много сложенији пуњачи који укључују пуњење у 7 корака. Нећемо се дубоко упуштати у ову тему јер је она изван оквира овог чланка. Али ако сте заинтересовани за помињање у одељку за коментаре и можда ћу написати посебан чланак о пуњењу Ли-јонских ћелија.
Стање напуњености (СОЦ)%: Стање напуњености није ништа друго до капацитет батерије, сличан онима приказаним у нашем мобилном телефону. Капацитет батерије се не може једноставно израчунати помоћу њеног напонског вентила, он се обично израчунава помоћу струјне интеграције да би се утврдила промена капацитета батерије током времена.
Дубина пражњења (ДОД)%: ДОД показује колико далеко се батерија може испразнити. Ниједна батерија неће се 100% испразнити, јер знамо да ће оштетити батерију. Обично је за све батерије подешена дубина пражњења од 80%.
Димензија ћелије: Још једна јединствена и занимљива карактеристика ћелије 18650 је њена димензија. Свака ћелија ће имати пречник од 18 мм и висину од 650 мм због чега ћелија добија име 18650.
Ако желите више дефиниција терминологије, погледајте документацију о терминологији МИТ Баттери, где ћете сигурно пронаћи више техничких параметара који се односе на батерију.
Најлакши начин употребе ћелије 18650
Ако сте потпуни новајлија и тек започињете са 18650 ћелија за напајање вашег пројекта, тада би најлакши начин био употреба готових модула који могу сигурно напунити и испразнити 18650 ћелија. Једини такав модул је ТП4056 модул који може да обрађује једну ћелију 18650.
Ако пројектујете као улазни напон више од 3,6 В, можда ћете желети да комбинујете две 18650 ћелија у серији да бисте добили напон од 7,4 В. У том случају употреба модула попут 2С 3А Ли-ион батеријског модула треба да буде корисна за безбедно пуњење и пражњење батерија.
Да бисмо комбиновали две или више 18650 ћелија, не можемо користити конвенционалну технику лемљења да бисмо направили везу између обе, уместо тога користи се поступак који се назива тачкасто заваривање. Такође приликом комбиновања 18650 ћелија у низу или паралелно треба водити више рачуна о чему ће бити речи у следећем параграфу.
Ли-ион батерија (серијске и паралелне ћелије)
Да би се напајала мала преносна електроника или мали уређаји, била би довољна једна ћелија од 18650 или највише пар њих у серији. У овој врсти примене сложеност је мања, јер је број батерија мање. Али за веће примене попут електричних циклуса / мопеда или Теслиних аутомобила мораћемо да повежемо пуно ових ћелија у серију и паралелно како бисмо постигли жељени излазни напон и капацитет. На пример, Тесла аутомобил садржи преко 6800 литијумских ћелија свака са оценом 3,7В и 3,1Ах. Слика испод приказује како је распоређен унутар шасије аутомобила.
Са оволиким бројем ћелија за надгледање потребан нам је наменски склоп који може само напунити, надгледати и испразнити ове ћелије. Овај наменски систем назива се систем за надзор батерије (БМС). Задатак БМС-а је да надгледа појединачни напон ћелије сваке литијум-јонске ћелије и такође проверава њену температуру. Поред тога, неки БМС такође надгледа струју пуњења и пражњења система.
Када комбинујете више од две ћелије да би се формирало паковање, треба водити рачуна да имају исту хемију, напон, вредност Ах и унутрашњи отпор. Такође током пуњења ћелија, БМС осигурава да се оне наелектришу равномерно и испразне равномерно, тако да у било ком тренутку све батерије одржавају исти напон, ово се назива ћелијско уравнотежење. Осим тога, дизајнер такође мора да брине о хлађењу ових батерија током пуњења и пражњења, јер не реагују добро током високих температура.
Надам се да вам је овај чланак пружио довољно детаља да бисте постали мало сигурни у Ли-ион ћелије. Ако имате било какве посебне сумње, слободно оставите то у одељку за коментаре и ја ћу се потрудити да одговорим. До тада весело петљање.