- История на литиево-йонна батерия
- Химия на литиево-йонните батерии и работи
- Въведение в литиево-йонните батерии
- Най-лесният начин за използване на клетка 18650
- Литиево-йонна батерия (клетки последователно и паралелно)
Докато някои Тони Старк не се намеси и не изобрети Arc реактора или изследванията в сателитите за слънчева енергия (SPS) за безжичен пренос на енергия, хората, трябва да разчитаме на батерии за захранване на нашите преносими или отдалечени електронни устройства. Най-често срещаният тип акумулаторни батерии, който срещате в потребителската електроника, е или литиево-йонна, или от литиево-полимерен тип. В тази статия интересът ни ще бъде върху литиево-йонните батерии, тъй като те са по-полезни от всички останали видове. Независимо дали става въпрос за малка захранваща банка или лаптоп, или нещо толкова голямо, колкото новия Model 3 на Tesla, всичко се захранва от литиево-йонна батерия.
Какво прави тези батерии специални? Какво трябва да знаете за него, преди да използвате такъв във вашите проекти / проекти? Как ще зареждате или разреждате тези батерии безопасно? Ако сте любопитни да знаете отговорите на всички тези въпроси, значи сте попаднали в правилната статия, просто седнете и прочетете, докато аз ще се опитам да запазя това възможно най-интересно.
История на литиево-йонна батерия
Идеята за литиево-йонна батерия е измислена за пръв път от GN Lewis през 1912 г., но става осъществима едва през 70-те години и първата литиева батерия, която не се презарежда, е пусната на търговските пазари. По-късно през 1980-те инженерите се опитват да направят първата акумулаторна батерия, използвайки литий като аноден материал и са постигнали частичен успех. Те не успяха да забележат, че тези типове литиеви батерии са нестабилни по време на процеса на зареждане и това ще създаде късо вътре в батерията, повишаващо температурата и причиняващо топлинно изтичане.
През 1991 г. една такава литиева батерия, използвана в мобилни устройства, експлодира над лицето на мъж в Япония. Едва след този инцидент беше разбрано, че с литиево-йонните батерии трябва да се работи изключително внимателно. Тогава огромен брой от тези видове батерии, които бяха пуснати на пазара, бяха изтеглени от производителите по въпроса за безопасността. По-късно след много изследвания Sony представи модерните литиево-йонни батерии с нова химия, която се използва до момента. Нека завършим уроците по история тук и да разгледаме химията на литиево-йонна батерия.
Химия на литиево-йонните батерии и работи
Както очевидно показва името, литиево-йонните батерии използват литиевите йони, за да свършат работата. Литийът е много лек метал с висока енергийна плътност, това свойство позволява на батерията да е лека по тегло и да осигурява висок ток с малък форм фактор. Енергийната плътност е количеството енергия, което може да се съхранява в единица обем на батерията, колкото по-висока е енергийната плътност, толкова по-малка ще бъде батерията. Въпреки непреодолимите свойства на литиевия метал, той не може да се използва като електрод директно в батериите, тъй като литийът е силно нестабилен поради своята метална природа. Следователно ние използваме литиево-йонни, които горе-долу имат същото свойство на литиев метал, но той е неметален и е сравнително по-безопасен за използване.
Обикновено анодът на литиевата батерия е направен от въглерод, а катодът на батерията е направен с помощта на кобалтов оксид или друг метален оксид. Използваният електролит, свързващ тези два електрода, ще бъде прост солен разтвор, който съдържа литиеви йони. При изхвърляне на положително заредените литиеви йони се придвижват към катода и го бомбардират, докато не се зареди положително. Тъй като катодът е положително зареден, той привлича отрицателно заредени електрони към него. Тези електрони са направени да текат през нашата верига, като по този начин захранват веригата.
По същия начин по време на зареждане се случва точно обратното. Електроните от зарядите се вливат в батерията и по този начин литиевите йони се придвижват към анода, което прави катода да загуби положителния си заряд.
Въведение в литиево-йонните батерии
Достатъчно теория за литиево-йонните батерии, сега нека практически да се запознаем с тези клетки, за да можем да бъдем уверени в тях, че ги използват в нашите проекти. Най-често използваната литиево-йонна батерия е 18650 клетки, така че ще разгледаме почти същото в тази статия. Типична клетка 18650 е показана на изображението по-долу
Както всички батерии, Li-ion батерията също има напрежение и капацитет. Номиналното напрежение за всички литиеви клетки ще бъде 3.6V, така че имате нужда от по-висока спецификация на напрежението, трябва да комбинирате две или повече клетки последователно, за да го постигнете. По подразбиране всички литиево-йонни клетки ще имат номинално напрежение само ~ 3.6V. Това напрежение може да се остави да падне до 3.2V, когато е напълно разредено и да достигне 4.2V, когато е напълно заредено. Винаги помнете, че разреждането на батерията под 3,2 V или зареждането й над 4,2 V ще повреди батерията за постоянно и може да се превърне в рецепта за фойерверки. Позволява да разбием терминологиите, включени в батерията 18650, за да можем да разберем по-добре. Имайте предвид, че тези обяснения са приложими само за една клетка 18650, по-късно ще включим повече в Li-ion батерийни комплекти, където повече от една клетка са свързани последователно или паралелно, за да получите много по-високи номинални стойности на напрежение и ток.
Номинално напрежение: Номиналното напрежение е действителното напрежение на клетка 18650. По подразбиране той е 3.6V и ще остане същият за всички 18650 клетки, въпреки че е произведен.
Пълно напрежение на разреждане: На клетка 18650 никога не трябва да се разрежда да се разрежда под 3.2V, ако не го направите, това ще промени вътрешното съпротивление на батерията, което ще повреди батерията трайно и може да доведе до експлозия
Напрежение с пълно зареждане: Зарядното напрежение за литиево-йонна клетка е 4.2V. Трябва да се внимава клетъчното напрежение да не се повишава с 4.2V по всяко време.
Оценка на mAh: Капацитетът на клетката обикновено се дава по отношение на mAh (Milli Ampere час) рейтинг. Тази стойност ще варира в зависимост от типа клетка, която сте закупили. Например, нека приемем, че нашата клетка тук е 2000mAh, което не е нищо друго освен 2Ah (ампер / час). Това означава, че ако изтеглим 2А от тази батерия, тя ще продължи 1 час и по същия начин, ако изтеглим 1А от тази батерия, ще продължи 2 часа. Така че, ако искате да знаете колко дълго батерията ще ви захранва (време на изпълнение), тогава трябва да го изчислите, използвайки рейтинга mAh.
Време за изпълнение (в часове) = Текущ ток / mAh Рейтинг
Където токът трябва да бъде в границите на рейтинга C.
Рейтинг C: Ако някога сте се чудили какво е максималното количество ток, което можете да изтеглите от батерия, тогава отговорът ви може да бъде получен от рейтинга C на батерията. Класификацията C на батерията отново се променя за всяка батерия, нека приемем, че батерията, която имаме, е 2Ah батерия с 3C рейтинг. Стойността 3C означава, че батерията може да изведе 3 пъти номиналната стойност на Ah като своя максимален ток. В този случай той може да подаде до 6A (3 * 2 = 6) като максимален ток. Обикновено 18650 клетки имат само рейтинг 1С.
Максимален ток от батерията = C Рейтинг * Ah Рейтинг
Ток на зареждане: Друга важна спецификация на батерията, която трябва да забележите, е нейният ток на зареждане. Това, че батерията може да осигури максимален ток от 6А, не означава, че може да се зарежда с 6А. Максималният ток на зареждане на батерията ще бъде споменат в листа с данни на батерията, тъй като той варира в зависимост от батерията. Обикновено това ще бъде 0,5 C, което означава половината от стойността на Ah. За батерия с мощност 2Ah токът на зареждане ще бъде 1A (0,5 * 2 = 1).
Време за зареждане: Минималното време за зареждане, необходимо за зареждане на една клетка 18650, може да бъде изчислено чрез използване на стойността на зарядния ток и номиналната мощност на батерията. Например зареждането на батерията от 2Ah с 1A ток за зареждане ще отнеме около 2 часа, като се приеме, че зарядното устройство използва само CC метод за зареждане на клетката.
Вътрешно съпротивление (IR): Състоянието и капацитетът на батерията могат да бъдат предвидени чрез измерване на вътрешното съпротивление на батерията. Това не е нищо друго освен стойността на съпротивлението между анодните (положителни) и катодни (отрицателни) клеми на батерията. Типичната стойност на IR на клетка ще бъде спомената в листа с данни. Колкото повече се отклонява от действителната стойност, толкова по-малко ефективна ще бъде батерията. Стойността на IR за клетка 18650 ще бъде в диапазона от мили ома и има специални инструменти за измерване на стойността на IR.
Методи за зареждане: Има много методи, които се практикуват за зареждане на литиево-йонна клетка. Но най-често използваната е 3-степенната топология. Трите стъпки са CC, CV и струйно зареждане. В режим CC (постоянен ток) клетката се зарежда с постоянен ток на зареждане чрез промяна на входното напрежение. Този режим ще бъде активен, докато батерията се зареди до определено ниво, след което CV (постоянното напрежение)режимът започва, когато зареждащото напрежение се поддържа обикновено на 4.2V. Крайният режим е импулсно зареждане или капещо зареждане, където малки импулси на ток се предават на батерията, за да се подобри жизнения цикъл на батерията. Има и много по-сложни зарядни, включващи 7-стъпково зареждане. Няма да навлизаме много в тази тема, тъй като тя е далеч извън обхвата на тази статия. Но ако се интересувате от споменаването в раздела за коментари и може ли да напиша отделна статия за зареждането на Li-йонните клетки.
Състояние на зареждане (SOC)%: Състоянието на зареждане не е нищо друго освен капацитет на батерията, подобен на показания в нашия мобилен телефон. Капацитетът на батерията не може да се изчисли ясно с нейния клапан за напрежение, той обикновено се изчислява с помощта на токова интеграция, за да се определи промяната в капацитета на батерията с течение на времето.
Дълбочина на разреждане (DOD)%: Доколко батерията може да бъде разредена, се дава от DOD. Нито една батерия няма да се разреди на 100%, тъй като, както знаем, ще повреди батерията. Обикновено е зададена 80% дълбочина на разреждане за всички батерии.
Измерение на клетката: Друга уникална и интересна характеристика на клетката 18650 е нейното измерение. Всяка клетка ще има диаметър 18 мм и височина 650 мм, което прави тази клетка да получи името си 18650.
Ако искате повече дефиниции на терминология, разгледайте документацията за терминологиите на MIT Battery, където със сигурност ще намерите повече технически параметри, свързани с батерията.
Най-лесният начин за използване на клетка 18650
Ако сте пълен начинаещ и тепърва започвате с 18650 клетки за захранване на вашия проект, тогава най-лесният начин би бил да използвате готови модули, които могат безопасно да зареждат и разреждат вашите 18650 клетки. Само такъв модул е модулът TP4056, който може да обработва една клетка 18650.
Ако проектът изисква повече от 3.6V като входно напрежение, тогава може да искате да комбинирате две 18650 клетки последователно, за да получите напрежение от 7.4V. В такъв случай използвайте модул като 2S 3A литиево-йонна батерия модул трябва да бъде полезен при безопасно зареждане и разреждане на батериите.
За да комбинираме две или повече 18650 клетки, не можем да използваме конвенционална техника за запояване, за да направим връзка между двете, вместо това се използва процес, наречен точково заваряване. Също така при комбиниране на 18650 клетки последователно или паралелно трябва да се внимава повече, което е обсъдено в следващия параграф.
Литиево-йонна батерия (клетки последователно и паралелно)
За захранването на малка преносима електроника или малки устройства една клетка 18650 или най-много двойка от тях ще свършат работа. При този тип приложение сложността е по-малка, тъй като броят на включените батерии е по-малък. Но за по-голямо приложение като електрически цикъл / мотопед или автомобили на Tesla, ще трябва да свържем много от тези клетки последователно и паралелно, за да постигнем желаното изходно напрежение и капацитет. Например автомобилът Tesla съдържа над 6800 литиеви клетки, всяка с рейтинг 3.7V и 3.1Ah. На снимката по-долу е показано как е подредено в шасито на автомобила.
С този голям брой клетки за наблюдение се нуждаем от специална схема, която може просто да зарежда, наблюдава и разрежда тези клетки безопасно. Тази специализирана система се нарича Система за наблюдение на батерията (BMS). Работата на BMS е да следи индивидуалното напрежение на клетката на всяка литиево-йонна клетка и също така да проверява за нейната температура. Отделно от това някои BMS също така следи зареждащия и разреждащия ток на системата.
Когато се комбинират повече от две клетки, за да се образува опаковка, трябва да се внимава те да имат еднаква химия, напрежение, Ah рейтинг и вътрешно съпротивление. Също така, докато зарежда клетките, BMS гарантира, че те се зареждат равномерно и се разреждат равномерно, така че по всяко време всички батерии да поддържат едно и също напрежение, това се нарича клетъчно балансиране. Освен това дизайнерът също трябва да се притеснява за охлаждането на тези батерии, докато се зарежда и разрежда, тъй като те не реагират добре по време на високи температури.
Надявам се, че тази статия ви е предоставила достатъчно подробности, за да сте малко уверени в Li-ion клетките. Ако имате някакви конкретни съмнения, не се колебайте да оставите в раздела за коментари и аз ще се опитам да отговоря. Дотогава щастливо майтапене.