Lítium-iónové batérie Lítium-iónové batérie

Najvýkonnejšie batérie sú lítiové batérie. Majú najvyššiu hustotu energie s najmenšou konštrukciou. Z dôvodu vysokej hustoty energie lítiových článkov sú vhodné najmä pre mobilné zariadenia. Lítiové batérie sa široko používajú v nositeľných zariadeniach, smartfónoch, tabletoch, digitálnych fotoaparátoch a notebookoch.
Lítiové batérie sú však drahé a sú oveľa citlivejšie na nesprávnu manipuláciu ako iné batérie. Sú tiež absolútne toxické pre životné prostredie. Ale ponúkajú vysoký komfort. Zostávajú funkčné asi 5 rokov so stratou kapacity.

Menovité napätie lítiových článkov závisí od materiálu elektródy a je 3,6 alebo 3,7 V. Z dôvodu vyššieho napätia nie sú vhodné ako náhrada za nabíjateľné batérie (1,2 V) a batérie (1,5 V) v AA. - alebo AAA dizajn.

Trh s malými zariadeniami napájanými z batérií vykazuje trend smerom k miniaturizácii. Zároveň sa zvyšujú energetické požiadavky takýchto systémov. Preto sa vykonáva výskum ešte výkonnejších batérií, hoci tu existujú iba malé vývojové kroky.

Poznámka: Drotovanie s lítiovými článkami nie je pre začiatočníkov a začiatočníkov s elektronikou. Nebezpečenstvo výbuchu v dôsledku nesprávnych alebo chybných nabíjacích obvodov je príliš veľké.
Pretože lítiové batérie sú citlivé na prebíjanie a hlboké vybitie, v batérii je zabudovaná elektronika, ktorá ich chráni pred prebitím a prebitím.

Prehľad: lítiové batérie

Lítium-ión (Li (NixCoyMnz) O2): rozšírený, škodlivý pre životné prostredie
Fosforečnan lítno-železitý (LiFePO4): neškodný, pamäťový efekt, potrebný komplikovaný nabíjací obvod
Oxid lítny kobaltnatý (LiCoO2): najdrahší, najvyššia hustota energie, nebezpečný

Konštrukcia lítium-iónových článkov

Lítium-iónový článok sa skladá z grafitovej elektródy (záporná) a elektródy z lítium-kovového oxidu (kladná). Oxid lítny môže obsahovať rôzne podiely niklu, mangánu a kobaltu (napríklad Li (NixCoyMnz) O2). Tieto materiály NMC majú vysokú hustotu energie a sú prvou voľbou pre malé zariadenia. Aj keď sú nákladnejšie a potenciálne nebezpečné. Presné zloženie má vplyv na vlastnosti lítium-iónovej batérie a líši sa v závislosti od výrobcu a triedy. Preto nie je možné urobiť presné údaje o kapacite a životnosti.

Nosičmi náboja sú lítne ióny. Sú malé a vysoko mobilné. Keď sa článok nabíja, ukladajú sa medzi molekulárnymi vrstvami grafitu. Pri vybíjaní lítiové ióny migrujú späť do elektródy oxidu lítneho s kovom.

Lítium je najľahší kov a reaguje prudko s vodou. Preto sa ako elektrolyt používa bezvodé, ale horľavé rozpúšťadlo. Rozpúšťadlo je dôvod, prečo sa občas vyskytujú správy o výbuchu alebo spálení lítiových batérií. Elektrolyt sa vznietil. Presnejšie dôvody sú rôzne. K opätovnému stiahnutiu batérie spravidla dôjde, keď sa zistia chybné lítiové batérie.
Elektródy sú oddelené separátorom, aby sa zabránilo skratu medzi elektródami. Separátor je priepustný pre lítiové ióny. Katóda funguje ako špongia. Môže pojať také veľké množstvo iónov. Takto sa vytvorí hustota energie 180 Wh/kg a viac.

Funkcia nabíjania a vybíjania

Nabíjanie prebieha pomocou procesu nabíjania I/U, pri ktorom sa batéria nabíja najskôr konštantným prúdom a potom konštantným napätím. Lítiové ióny migrujú do grafitu a zhromažďujú sa medzi molekulárnymi úrovňami. Pri vybíjaní lítiové ióny migrujú späť do elektródy oxidu lítneho s kovom.

Napätie na konci nabíjania je 4,1 alebo 4,2 voltov a musí sa dodržiavať s presnosťou na 50 milivoltov. V opačnom prípade bude bunka zničená. Najnižšia hranica napätia je 2,5 voltu. Bunka je poškodená zospodu.
Aby sa zabránilo poškodeniu článkov, každá batéria má vlastnú nabíjaciu a ochrannú elektroniku. Monitoruje dodržiavanie limitných hodnôt počas nakládky a vykládky. Je prispôsobený lítiovým článkom.
V závislosti od kvality lítium-iónovej batérie zvládne iba niekoľko stoviek nabíjacích cyklov, kým kapacita úložiska výrazne neklesne. Pravidelné nabíjanie poloplnej batérie nemá vplyv na celkovú kapacitu.

Z dôvodu úspory batérie by sa batéria nemala nabíjať na viac ako 90 percent alebo sa vybiť na menej ako 10 percent, ak je to možné. Niektoré notebooky ponúkajú možnosť nastavenia. Nie je však možné presne odhadnúť, ako dlho batéria vydrží. Možno ho môžete používať o rok dlhšie.

Starnutie

Starnutie lítium-iónových batérií je spôsobené oxidáciou článkov. Elektródy oxidujú. Tieto strácajú schopnosť ukladať lítiové ióny, ktoré sú potrebné na tok elektriny. Oxidáciu buniek ovplyvňujú rôzne faktory. Napríklad prostredníctvom teploty a stavu nabitia batérie. Oxidácia buniek sa vyvíja obzvlášť rýchlo pri vysokých teplotách as plne nabitou batériou. Tento stav nastáva napr. B. pri notebookoch sa to často stáva, keď je batéria úplne nabitá a zariadenie je súčasne spustené a zahrieva sa. Teplo sa prenáša do batérie.

skladovanie

Ak chcete uskladniť lítium-iónovú batériu, mali by ste ju nabiť na polovicu. Optimálny stav nabitia je medzi 50% a 80%. Skladovanie sa vykonáva pri izbovej teplote, lepšie chránené pred vlhkosťou v chladničke (nie v chladiacom priestore). Tesne predtým, ako ho budete chcieť znovu použiť, úplne ho nabite pri izbovej teplote.

Ak sa lítium-iónová batéria musí skladovať dlhší čas, je potrebné pravidelne kontrolovať stav nabitia. Samovybíjanie 1% za mesiac je extrémne nízke, ale veľmi závisí od teploty. Lítium-iónové batérie by sa mali nabíjať každé 3 až 4 mesiace, aby nedošlo k ich úplnému vybitiu. Ak článok dosiahne napätie pod 2 volty, môže sa článok zničiť.

Pri nákupe lítium-iónových batérií treba vždy počítať s tým, že sa batérie predčasne vzdajú. Najmä s batériami, ktoré pochádzajú z Ďalekého východu alebo sú na cestách dlhšiu dobu. To platí aj pre náhradné batérie, ktoré mohli byť dlho uskladnené. Ak je batéria poškodená, dá sa opraviť. Ak nie, mali by ste batériu zlikvidovať v maloobchode alebo ako nebezpečný odpad.

Starostlivosť o batériu

Chemické zmeny v elektrolyte a oxidácia elektród sú hlavnými príčinami starnutia. Lítium-iónové batérie strácajú svoju kapacitu po 2 až 3 rokoch je iba pravidlom. To, či lítiová batéria vydrží iba 1 alebo možno 5 rokov, závisí od teploty spracovania, použitia a prevádzkovej teploty. Starostlivé zaobchádzanie odmeňuje lítiovú batériu za dlhšiu životnosť.

Vyhýbajte sa teplotám nad 40 ° C
Vyvarujte sa plného nakladania a vykladania
Nabíjajte na viac ako 90 percent svojej kapacity tak zriedkavo, ako je to možné
Ak je to možné, nechajte voľnobeh menej ako 10 percent

Neustále dodržiavanie týchto rád je však veľmi ťažkopádne. Pokiaľ ide o poplatok, niektoré operačné systémy je možné nastaviť zodpovedajúcim spôsobom. Pretože sa elektronické zariadenia počas prevádzky značne zahrievajú, používateľ má na ne menší vplyv.
Ak však s batériou zachádzate primerane opatrne, jej životnosť sa môže predĺžiť z 3 na 4 roky.

Hustota energie

V porovnaní s inými batériami majú lítiové batérie najvyššiu hustotu energie. Skladujú takmer dvakrát toľko energie ako NiMH batérie, ktoré majú rovnakú veľkosť a hmotnosť.
Energetická hustota lítium-iónových batérií je určená hlavne materiálom katódy. Oxid kobaltu s energetickou hustotou do 180 Wh/kg je bežný. S lítium kobaltnatým niklom (LiNiCo) môžete dosiahnuť až 240 Wh/kg. Existuje tendencia k nižšej energetickej hustote až 170 Wh/kg. Na druhej strane batérie vydržia podstatne viac ako 500 nabíjacích cyklov a majú tak dlhšiu životnosť.

Lítium-polymérové batérie (Li-Pol)

Lítium-polymérové batérie sú ďalším vývojom lítium-iónových batérií. Neobsahujú žiadne tekuté chemikálie, iba pevné alebo gélové zložky. Sú preto nepriepustné a zaobídete sa bez ochranného kovového krytu. To má za následok ešte viac návrhov, v ktorých sú možné bunky s hrúbkou 1 milimetr. Napríklad môžu byť optimálne použité dutiny v prenosných zariadeniach. Napríklad s nositeľnými zariadeniami a obzvlášť plochými smartfónmi.

Lítiová vzduchová batéria

Lítium-vzduchové batérie môžu uchovávať 10 až 20-krát viac energie (11 kWh/kg) ako lítium-iónové batérie rovnakej hmotnosti.
V lítium-vzduchových batériách kyslík zo vzduchu reaguje v póroch mezoporéznej uhlíkovej elektródy s veľkosťou niekoľkých nanometrov s Li + za vzniku peroxidu lítneho Li2O2. Protielektróda pozostáva z elementárneho lítia. Ako elektrolyt sa používa éter, napr. B. tetrahydrofurán, v ktorom sa môžu lítne ióny rozpustiť.
Uhlíková elektróda však po niekoľkých nabíjacích cykloch koroduje. Kvapalina elektrolytu sa navyše veľmi rýchlo rozkladá. To obmedzuje jeho praktické použitie.

Lítium-iónová batéria v budúcnosti

V posledných rokoch vývoj viedol k lítium-iónovým a lítium-polymérovým batériám, ktoré dokážu akumulovať čoraz viac energie. Táto hustota energie zďaleka nestačí na splnenie požiadaviek malých mobilných zariadení.
Ako alternatíva sa uskutočnil výskum palivových článkov s obsahom metanolu ako paliva (DMFC). Bohužiaľ, prototypy neprekračujú vývojový stav. Zdá sa, že výrobcovia sú spokojní s vývojom stacionárnych zdrojov nepretržitého napájania (UPS).
Osvedčených lítium-iónových a lítium-polymérových batérií je teda dosť. Nový impulz dáva najmä nanotechnológia (práca s malými časticami).
Minulé úspechy vo vývoji lítium-iónových batérií naznačujú, že v hybridných vozidlách bude možné najazdiť 500 kilometrov, kým nebudete musieť natankovať. Potom už nepotrebujete palivové články.