baterii Li-ion
Primele experimente cu baterii cu litiu datează din 1912, dar primele baterii cu litiu produse în masă au apărut în anii 1970, nu erau reîncărcabile.
La mijlocul anilor 1980, au apărut bateriile cu litiu în serie, dar utilizarea lor a fost limitată din cauza explozivității ridicate - la ciclul pe un anod de litiu, s-au format cristale dendritice de litiu, care au crescut la catod și au provocat un scurtcircuit intra-celulă și o explozie din cauza supraîncălzirii, care a declanșat o reacție chimică între litiu și un electrolit organic. Din 1991, a început utilizarea comercială a bateriilor litiu-ion produse de Sony. Aceste baterii au folosit cobaltat de litiu (LiCoO 2) și cocs ca material pentru electrozi. Electrolitul a fost o soluție de sare de litiu într-un solvent organic. În condițiile de descărcare/încărcare, aceste elemente sunt suficient de sigure din punct de vedere al exploziei, ceea ce le-a asigurat succesul comercial. La sfârșitul anilor 1990 - începutul anilor 2000, pe piața bateriilor litiu-ion au apărut mulți jucători noi - au început să fie produse baterii pe bază de cobaltați de litiu pe electrozi de grafit, au apărut baterii bazate pe chimie mai ieftină - LiNiO 2, LiMnO 2, LiMn 2O 4, LiFePO 4. Bateriile cu electrolit polimer au apărut și pentru a fi utilizate în electronica miniaturală. În prezent, bateriile litiu-ion bazate pe noi componente chimice și structurale apar la fiecare șase luni. Posibilitățile de îmbunătățire a bateriilor pe bază de litiu sunt departe de a fi epuizate, ceea ce inspiră speranța că baterii din ce în ce mai încăpătoare, mai sigure și mai ieftine vor apărea pe piață în viitorul foarte apropiat.
Avantaje și dezavantaje
Consideraavantajele și dezavantajele bateriilor litiu-ion și ale bateriilor reîncărcabile pe baza acestora.
Avantaje
- cea mai mare densitate de energie dintre toate tipurile de baterii - atât volumetrice, cât și greutate
- tensiunea de alimentare pe celulă este de 3,6 V, care este de 3 ori mai mare decât cea a bateriilor NiMH și NiCd și de aproape 2 ori mai mare decât a bateriilor plumb-acid
- proces rapid de încărcare a bateriei - până la 90% capacitate în 30-40 de minute
- rata mare de resurse - peste 1000 de cicluri de descărcare/încărcare (în condiții de laborator)
- rata scăzută de auto-descărcare - până la 5% pe lună
- prietenos cu mediul - poate fi eliminat fără prelucrare prealabilă
- posibilitatea unei explozii dacă bateria este deteriorată mecanic sau reîncărcată (posibilitatea unei explozii pentru bateriile moderne este redusă drastic)
- Îmbătrânirea destul de rapidă a bateriei - majoritatea bateriilor se degradează dramatic atunci când sunt depozitate sau utilizate mai mult de 5 ani
- bateriile necesită un sistem complex de gestionare a bateriilor
- cost ridicat, dar producătorii chinezi lucrează din greu la acest parametru
Cum să prelungești durata de viață a bateriei
Au trecut mai bine de 17 ani de la începutul producției în masă a bateriilor litiu-ion în 1991 de către Sony, dar multe procese din bateriile litiu-ion sunt încă puțin înțelese. În acest articol, puteți atinge acele cunoștințe despre prelungirea duratei de viață a bateriilor litiu-ion care s-au acumulat de-a lungul anilor.
Materialul din articol este prezentat sub forma unei selecții de fapte individuale referitoare la condițiile de viață și de muncăbaterii litiu-ion. Această compilație de fapte vă va permite să determinați cu experiență strategia pentru salvarea duratei de viață a unei baterii litiu-ion, în funcție de zona de utilizare din următorul articol din ciclu. Bateriile litiu-ion suferă mai mult de „îmbătrânire” (degradare în timp) decât de ciclism. Aceasta înseamnă că majoritatea bateriilor nu pot dura mai mult de 5 ani în condiții normale de funcționare (prognoză optimistă). Morala este aceasta - dacă cumpărați o baterie litiu-ion, aveți grijă la data fabricării - dacă veți avea șase luni, veți pierde 10% din durata de viață declarată.
Îmbătrânirea bateriei este accelerată prin funcționare sau depozitare în condiții calde - vezi tabelul pentru bateriile litiu-cobalt (rezultatele sunt puțin mai bune pentru bateriile litiu-mangan și litiu-fier).
Reguli de funcționare
Utilizarea corectă a bateriilor de laptop
Bateria laptopului conține un sistem complet de management, care permite adesea utilizatorului să uite dacă folosește corect bateria. Cu toate acestea, există câteva lucruri de care trebuie să țineți cont atunci când lucrați cu un laptop. La prima conectare, bateria notebook-ului trebuie să fie complet încărcată, iar apoi sistemul de control ar trebui calibrat. Calibrarea se realizează prin descărcarea completă a bateriei la o încărcare constantă (trebuie să introduceți setările BIOS și să lăsați laptopul să funcționeze atunci când este deconectat de la rețea până când este oprit, mulți personalizatori BIOS au un element special de calibrare conceput pentru a îndeplini această sarcină ). Nu uitați să încărcați bateria laptopului imediat după ce este complet descărcată. Calibrarea bateriei laptopului se face de obicei o dată la 1-3 luni, pentru a evitaefectul „memoriei digitale” - în procesul de funcționare a bateriei, erorile în determinarea capacității reziduale se acumulează treptat, ceea ce reduce durata de viață a bateriei laptopului. Pentru unele modele de laptop, există utilități ale producătorului pentru a seta nivelul de descărcare a bateriei la care începe încărcarea. Dacă bateria laptopului servește ca sursă de alimentare neîntreruptibilă (munca este staționară cu alimentarea de la rețea), atunci setarea nivelului de descărcare permis la 40% și menținerea bateriei într-o stare semidescărcată va prelungi durata de viață a bateriei de două ori. Unele laptop-uri vin cu o baterie suplimentară. Dacă nu îl folosiți o perioadă lungă de timp, este logic să descărcați bateria suplimentară la 40%, să o împachetați într-o pungă de plastic cu blocare cu vid și să lăsați sacul în compartimentul frigider la o temperatură de 3-4°C. .
Elementele interne ale unei baterii litiu-ion
Este timpul să ne scufundăm în profunzimile chimiei bateriilor cu litiu-ion.
Încercările de a crea surse secundare de curent chimic datează din anii douăzeci ai secolului trecut. Cercetătorii au fost atrași de capacitatea teoretică mare a unor astfel de baterii.
Un obstacol în calea bateriei cu litiu a fost reactivitatea ridicată a litiului. Chiar și în anii 1980, bateriile industriale cu litiu erau produse extrem de explozive și inflamabile, cu o durată medie de viață de 50 de cicluri. Principalul motiv al defectării bateriilor cu litiu a fost creșterea dendritelor de litiu, formate în timpul ciclării, la un electrod cu semnul opus, ceea ce a dus la un scurtcircuit în interiorul celulei și la încălzire rapidă. În același timp, litiul a reacționat violent cu un electrolit organic, ceea ce a dus destul de des la o explozie.
Progres în domeniuelectronica a crescut nevoia de surse de energie reîncărcabile încăpătoare și ușoare și a creat, de asemenea, condițiile prealabile pentru apariția sistemelor de gestionare a bateriilor (BMS). În 1992, Sony Corporation a prezentat lumii o nouă viziune a bateriei pe bază de litiu.
În bateriile mai noi, litiul metalic a fost înlocuit cu o formă ionică mai sigură. Pentru a asigura siguranța, bateriile au fost echipate cu un sistem BMS (monitorizarea modurilor de încărcare și descărcare a făcut posibilă reducerea drastică a riscului de apariție a litiului metalic în baterie - principalul vinovat al pericolului de explozie al unei baterii litiu-ion).
Prima baterie litiu-ion avea un electrod pozitiv pe bază de cobaltat de litiu, un electrod negativ pe bază de carbon (Sony folosea cocs, un material obținut din tratamentul termic al cărbunelui) și un electrolit pe bază de hexafluorofosfură de litiu dizolvat într-un solvent organic.
Deoarece Sony a întârziat să împărtășească brevetul pentru noile sale baterii, alți producători au găsit o cale de ieșire prin aplicarea de noi chimie pentru electrozi și modificarea proprietăților electrolitului.
Primele modificări au afectat structura electrodului negativ - cocsul a fost înlocuit cu grafit de diferite dimensiuni ale granulelor. Cu toate acestea, chimiștii de la Sony au avut atât de mult succes în utilizarea cocsului ieftin, cu performanțe excelente, încât alți producători de baterii similare cu electrozi de grafit au avut un drum lung pentru a găsi structura potrivită de pulbere de grafit care să ofere aceeași performanță în funcționare.
Deoarece electrodul pozitiv cu litiu-cobalt a fost deja patentat de Sony, ochii cercetătorilor s-au îndreptat către opțiuni alternative - electrozii au fost creați pe baza de litiu-mangan, litiu-fier-fosfat și multe altele.constituenti chimici.
Mulți dintre electrozii noi și-au arătat cea mai bună latură și s-au dovedit a fi solicitați pe piață. În prezent, cele mai utilizate baterii litiu-mangan, litiu-cobalt și litiu-fier fosfat litiu-ion.
Folosind minunatul program gratuit de modelare 3D Blender, am putut reprezenta schematic rețelele cristaline ale diferitelor opțiuni pentru electrozii pozitivi ai bateriilor litiu-ion.
După cum puteți vedea, rețeaua cristalină de litiu-cobalt se caracterizează prin aranjarea ionilor de litiu în straturi. Acest aranjament prezice caracteristici de descărcare destul de bune ale bateriei, cu toate acestea, stabilitatea unei astfel de rețele cristaline este relativ scăzută, astfel încât bateriile cu litiu-cobalt nu tolerează bine descărcările de curent ridicat.
Bateriile litiu-mangan sunt caracterizate printr-un aranjament „tridimensional” de ioni de litiu în rețeaua cristalină a electrodului pozitiv. Acest aranjament conduce la o toleranță bună la curenții mari de descărcare și la o stabilitate destul de bună a electrodului în timpul funcționării.
Electrozii pozitivi cu fosfat de fier de litiu sunt foarte stabili - ceea ce se vede foarte clar în rețeaua cristalină puternică cu „canale” pentru ionii de litiu. Cu toate acestea, acest fapt limitează drastic mobilitatea ionilor de litiu și astfel de electrozi au început să fie utilizați relativ recent - după ce producătorii au reușit să creeze electrozi asamblați din particule de fosfat de litiu și fier de sute de nanometri (dimensiunea particulelor este de o sută de ori mai mică decât cea a bateriilor "3D" litiu - mangan, de aici suprafața totală cu patru ordine de mărimede mai sus și acest fapt îmbunătățește dramatic caracteristicile fosfatului de fier litiu).
După ce au dobândit prefixul la modă „nano” pentru numele său, bateriile cu litiu și fier fosfat s-au dovedit a fi una dintre cele mai promițătoare pentru utilizare ulterioară în dispozitive puternice (pot fi folosite chiar și ca baterii de pornire pentru mașini).
În plus față de materialul pentru electrodul negativ, producătorii au învățat să folosească un material polimeric cu incluziuni de umplutură conductivă de litiu ca un gel ca electrolit. Astfel de baterii litiu-ion polimer au devenit acum standardul pentru dispozitivele miniaturale.
Evoluțiile în domeniul electroliților polimerici au făcut posibilă crearea unui electrolit solid care conduce ionii de litiu prin mecanismul de schimb ionic din interiorul matricei electroliților. Un astfel de electrolit a făcut posibilă readucerea la viață a bateriilor uzate cu electrozi de litiu metalic.
Un electrolit solid creează o suprafață în punctul de contact cu litiul metalic care previne formarea dendritelor de litiu în timpul ciclării, ceea ce face posibil să uităm de principala problemă care duce la incendiu și explozia bateriilor cu litiu.
Oricât de mult nu mi-ar plăcea să termin articolul, totuși mai rămâne subiectul unui electrod negativ într-o baterie litiu-ion. În prezent, există dezvoltări bazate pe titanat de litiu (cu prefixul la modă „nano-”). Combinația acestor electrozi cu electrozi pozitivi de fosfat de fier litiu promite o creștere dramatică a duratei de viață și a siguranței bateriilor litiu-ion.