Όλα όσα πρέπει να ξέρετε για το λι

Εάν δεν περάσει κάποιος Tony Stark και εφευρεθεί ο αντιδραστήρας Arc ή η έρευνα στους δορυφόρους Solar Power Satelit (SPS) για ασύρματη μεταφορά ενέργειας, εμείς οι άνθρωποι πρέπει να βασιστούμε στις μπαταρίες για την τροφοδοσία φορητών ή απομακρυσμένων ηλεκτρονικών συσκευών. Ο πιο συνηθισμένος τύπος επαναφορτιζόμενων μπαταριών που βρίσκετε στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά είναι είτε ιόντων λιθίου είτε τύπου πολυμερούς λιθίου. Σε αυτό το άρθρο, το ενδιαφέρον μας θα ήταν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθώς τείνουν να είναι πιο χρήσιμες από όλους τους άλλους τύπους. Είτε πρόκειται για μια μικρή τράπεζα τροφοδοσίας ή έναν φορητό υπολογιστή ή κάτι τόσο μεγάλο όσο το νέο μοντέλο 3 της Tesla όλα τροφοδοτούνται από μια μπαταρία ιόντων λιθίου.

Τι κάνει αυτές τις μπαταρίες ξεχωριστές; Τι πρέπει να γνωρίζετε για αυτό πριν χρησιμοποιήσετε ένα στα έργα / σχέδια σας; Πώς θα φορτίσετε ή θα αποφορτίσετε αυτές τις μπαταρίες με ασφάλεια; Εάν είστε περίεργοι να μάθετε τις απαντήσεις για όλες αυτές τις ερωτήσεις, τότε έχετε φτάσει στο σωστό άρθρο, απλά καθίστε και διαβάστε, ενώ θα προσπαθήσω να το κρατήσω όσο το δυνατόν πιο ενδιαφέρον.

Ιστορικό μπαταρίας ιόντων λιθίου

Η ιδέα της μπαταρίας ιόντων λιθίου δημιουργήθηκε για πρώτη φορά από τον GN Lewis το 1912, αλλά έγινε εφικτή μόνο το έτος 1970 και η πρώτη μη επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου τέθηκε σε εμπορική αγορά. Αργότερα το 1980 οι μηχανικοί προσπάθησαν να κάνουν την πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία χρησιμοποιώντας λίθιο ως υλικό ανόδου και ήταν εν μέρει επιτυχημένες. Δεν κατάφεραν να παρατηρήσουν ότι αυτοί οι τύποι μπαταριών λιθίου ήταν ασταθείς κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης και θα δημιουργούσε βραχυκύκλωμα στο εσωτερικό της μπαταρίας αυξάνοντας τη θερμοκρασία και προκαλώντας θερμική απόδραση.

Το 1991, μια τέτοια μπαταρία λιθίου που χρησιμοποιείται σε κινητό εξερράγη πάνω από το πρόσωπο ενός άνδρα στην Ιαπωνία. Μόνο μετά από αυτό το συμβάν συνειδητοποιήθηκε ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου πρέπει να αντιμετωπίζονται με εξαιρετική προσοχή. Ένας τεράστιος αριθμός από αυτούς τους τύπους μπαταριών που κυκλοφόρησαν στην αγορά στη συνέχεια υπενθυμίστηκαν από τους κατασκευαστές για το ζήτημα της ασφάλειας. Αργότερα μετά από μεγάλη έρευνα, η Sony παρουσίασε τις προηγμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου με μια νέα χημεία που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα. Ας ολοκληρώσουμε τα μαθήματα ιστορίας εδώ και ας δούμε τη χημεία μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου.

Χημεία μπαταριών ιόντων λιθίου και εργασία

Όπως δείχνει προφανώς το όνομα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν τα ιόντα λιθίου για να ολοκληρώσουν τη δουλειά. Το λίθιο είναι ένα πολύ ελαφρύ μέταλλο με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, αυτή η ιδιότητα επιτρέπει στην μπαταρία να είναι ελαφριά σε βάρος και να παρέχει υψηλό ρεύμα με μικρό παράγοντα μορφής. Η ενεργειακή πυκνότητα είναι η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί σε ανά μονάδα όγκου της μπαταρίας, όσο υψηλότερη είναι η ενεργειακή πυκνότητα τόσο μικρότερη θα είναι η μπαταρία. Παρά τις συντριπτικές ιδιότητες του μετάλλου λιθίου, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδιο απευθείας στις μπαταρίες, καθώς το λίθιο είναι εξαιρετικά ασταθές λόγω της μεταλλικής του φύσης. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούμε ιόντα λιθίου τα οποία έχουν λίγο ή πολύ την ίδια ιδιότητα με μέταλλο λιθίου, αλλά είναι μη μεταλλικά και είναι συγκριτικά ασφαλέστερα στη χρήση.

Κανονικά η άνοδος μιας μπαταρίας λιθίου είναι κατασκευασμένη από άνθρακα και η κάθοδος της μπαταρίας κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας οξείδιο κοβαλτίου ή κάποιο άλλο μεταλλικό οξείδιο. Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση αυτών των δύο ηλεκτροδίων θα είναι ένα απλό διάλυμα άλατος που περιέχει ιόντα λιθίου. Κατά την εκφόρτιση τα θετικά φορτισμένα ιόντα λιθίου μετακινούνται προς την κάθοδο και βομβαρδίζονται μέχρι να φορτιστεί θετικά. Τώρα, καθώς η κάθοδος φορτίζεται θετικά, προσελκύει αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια προς αυτήν. Αυτά τα ηλεκτρόνια κατασκευάζονται για να ρέουν μέσω του κυκλώματός μας, τροφοδοτώντας έτσι το κύκλωμα.

Ομοίως κατά τη φόρτιση, συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο. Τα ηλεκτρόνια από τα φορτία ρέουν στην μπαταρία και ως εκ τούτου τα ιόντα λιθίου κινούνται προς την άνοδο κάνοντας την κάθοδο να χάσει το θετικό της φορτίο.

Εισαγωγή στις μπαταρίες ιόντων λιθίου

Αρκετή θεωρία για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, τώρα ας μάθουμε πρακτικά για αυτά τα κελιά, ώστε να μπορούμε να είμαστε σίγουροι για αυτά για τη χρήση τους στα έργα μας. Η συνηθέστερα χρησιμοποιημένη μπαταρία ιόντων λιθίου είναι τα 18650 Cells, οπότε θα συζητήσουμε για το ίδιο σε αυτό το άρθρο. Ένα τυπικό κελί 18650 φαίνεται στην παρακάτω εικόνα

Όπως όλες οι μπαταρίες, η μπαταρία ιόντων λιθίου έχει επίσης βαθμολογία τάσης και χωρητικότητας. Η ονομαστική τάση για όλα τα κελιά λιθίου θα είναι 3,6V, επομένως χρειάζεστε προδιαγραφές υψηλότερης τάσης, πρέπει να συνδυάσετε δύο ή περισσότερα κελιά σε σειρά για να το επιτύχετε. Από προεπιλογή, όλα τα κύτταρα ιόντων λιθίου θα έχουν ονομαστική τάση μόνο ~ 3,6V. Αυτή η τάση μπορεί να επιτραπεί να κατεβεί έως τα 3,2V όταν έχει αποφορτιστεί πλήρως και να φτάσει μέχρι τα 4,2V όταν φορτιστεί πλήρως. Να θυμάστε πάντα ότι η αποφόρτιση της μπαταρίας κάτω από τα 3.2V ή η φόρτιση της πάνω από 4.2V θα καταστρέψει τη μπαταρία μόνιμα και μπορεί επίσης να γίνει συνταγή για πυροτεχνήματα. Ας αναλύσουμε τις ορολογίες που σχετίζονται με μια μπαταρία 18650, ώστε να μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα. Λάβετε υπόψη ότι αυτές οι εξηγήσεις ισχύουν μόνο για ένα μόνο κελί 18650, θα λάβουμε περισσότερα σε μπαταρίες ιόντων λιθίου αργότερα, όπου περισσότερα από ένα κελιά συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα για να λάβουμε πολύ υψηλότερη τάση και τρέχουσες βαθμολογίες.

Ονομαστική τάση: Η ονομαστική τάση είναι η πραγματική βαθμολογία τάσης 18650 Cell. Από προεπιλογή, είναι 3,6V και θα παραμείνει το ίδιο για όλα τα 18650 κελιά παρά τις κατασκευές του.

Τάση πλήρους εκφόρτισης: Μια κυψέλη 18650 δεν πρέπει ποτέ να επιτρέπεται να αποφορτιστεί κάτω από 3,2V, εάν δεν το κάνετε θα αλλάξει την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, η οποία θα καταστρέψει τη μπαταρία μόνιμα και μπορεί επίσης να οδηγήσει σε έκρηξη

Τάση πλήρους φόρτισης: Η τάση φόρτισης για την κυψέλη ιόντων λιθίου είναι 4.2V. Πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε η τάση του κυττάρου να μην αυξάνει τα 4.2V ανά πάσα στιγμή.

Βαθμολογία mAh: Η χωρητικότητα ενός κελιού συνήθως δίνεται σε όρους mAh (Milli Ampere hour). Αυτή η τιμή θα διαφέρει ανάλογα με τον τύπο του κελιού που έχετε αγοράσει. Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι το κελί μας εδώ είναι 2000mAh που δεν είναι τίποτα άλλο από 2Ah (Ampere / ώρα). Αυτό σημαίνει ότι εάν αντλήσουμε 2Α από αυτήν την μπαταρία θα διαρκέσει για 1 ώρα και παρόμοια εάν αντλήσουμε 1Α από αυτήν την μπαταρία θα διαρκέσει για 2 ώρες. Επομένως, εάν θέλετε να μάθετε πόσο καιρό η μπαταρία θα τροφοδοτήσει το έργο σας (Χρόνος εκτέλεσης), τότε θα πρέπει να τον υπολογίσετε χρησιμοποιώντας τη βαθμολογία mAh.

Χρόνος εκτέλεσης (σε ώρες) = Τρέχουσα βαθμολογία / βαθμολογία mAh

Όπου, το τρέχον σχέδιο πρέπει να είναι εντός του ορίου βαθμολογίας C.

Βαθμολογία C: Εάν αναρωτηθήκατε ποτέ ποια είναι η μέγιστη ποσότητα ρεύματος που μπορείτε να αντλήσετε από μια μπαταρία, τότε η απάντησή σας μπορεί να ληφθεί από την βαθμολογία C της μπαταρίας. Η βαθμολογία C της μπαταρίας αλλάζει ξανά για κάθε μπαταρία, ας υποθέσουμε ότι η μπαταρία που διαθέτουμε είναι μια μπαταρία 2Ah με βαθμολογία 3C. Η τιμή 3C σημαίνει ότι η μπαταρία μπορεί να αποδώσει 3 φορές την ονομαστική τιμή Ah ως το μέγιστο ρεύμα. Σε αυτήν την περίπτωση μπορεί να παρέχει έως και 6Α (3 * 2 = 6) ως το μέγιστο ρεύμα. Κανονικά 18650 κελιά έχουν βαθμολογία 1C μόνο.

Μέγιστο ρεύμα που αντλείται από μπαταρία = C Αξιολόγηση

Ρεύμα φόρτισης: Μια άλλη σημαντική προδιαγραφή μιας μπαταρίας που πρέπει να προσέξετε είναι το ρεύμα φόρτισης. Ακριβώς επειδή η μπαταρία μπορεί να παρέχει μέγιστο ρεύμα 6Α δεν σημαίνει ότι μπορεί να φορτιστεί με 6Α. Το μέγιστο ρεύμα φόρτισης μιας μπαταρίας θα αναφέρεται στο φύλλο δεδομένων της μπαταρίας, καθώς ποικίλλει ανάλογα με την μπαταρία. Κανονικά θα είναι 0,5C, που σημαίνει τη μισή τιμή της βαθμολογίας Ah. Για μπαταρία με βαθμολογία 2Ah, το ρεύμα φόρτισης θα είναι 1A (0,5 * 2 = 1).

Χρόνος φόρτισης: Ο ελάχιστος χρόνος φόρτισης που απαιτείται για να φορτιστεί ένα μόνο κελί 18650 μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την τιμή ρεύματος φόρτισης και την βαθμολογία Ah της μπαταρίας. Για παράδειγμα, μια φόρτιση μπαταρίας 2Ah με ρεύμα φόρτισης 1Α θα διαρκέσει περίπου 2 ώρες, με την προϋπόθεση ότι ο φορτιστής χρησιμοποιεί μόνο τη μέθοδο CC για τη φόρτιση του κελιού.

Εσωτερική αντίσταση (IR): Η υγεία και η χωρητικότητα μιας μπαταρίας μπορούν να προβλεφθούν μετρώντας την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας. Αυτό δεν είναι παρά η τιμή της αντίστασης μεταξύ των ακροδεκτών της ανόδου (θετική) και της καθόδου (αρνητική) της μπαταρίας. Η τυπική τιμή του IR ενός κελιού θα αναφέρεται στο φύλλο δεδομένων. Όσο περισσότερο μετακινείται από την πραγματική τιμή, τόσο λιγότερο αποτελεσματική θα είναι η μπαταρία. Η τιμή του IR για ένα κελί 18650 θα κυμαίνεται από milli ohms και υπάρχουν ειδικά όργανα για τη μέτρηση της τιμής του IR.

Μέθοδοι φόρτισης: Υπάρχουν πολλές μέθοδοι που εφαρμόζονται για τη φόρτιση μιας κυψέλης ιόντων λιθίου. Αλλά η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη είναι η τοπολογία 3 βημάτων. Τα τρία βήματα είναι CC, CV και φόρτιση. Στη λειτουργία CC (Σταθερό ρεύμα), το κελί φορτίζεται με συνεχές ρεύμα φόρτισης μεταβάλλοντας την τάση εισόδου Αυτή η λειτουργία θα είναι ενεργή έως ότου φορτιστεί η μπαταρία σε ένα ορισμένο επίπεδο και μετά το βιογραφικό (σταθερή τάση)ξεκινά η λειτουργία όπου η τάση φόρτισης διατηρείται συνήθως στα 4.2V. Ο τελικός τρόπος είναι η φόρτιση παλμών ή η φόρτιση με τρικ όπου οι μικροί παλμοί ρεύματος μεταφέρονται στην μπαταρία για τη βελτίωση του κύκλου ζωής της μπαταρίας. Υπάρχουν επίσης πολύ πιο περίπλοκοι φορτιστές που περιλαμβάνουν φόρτιση 7 βημάτων. Δεν θα εμβαθύνουμε σε αυτό το θέμα, δεδομένου ότι είναι πολύ εκτός του πεδίου αυτού του άρθρου. Αλλά αν ενδιαφέρεστε να μάθετε αναφορά στην ενότητα σχολίων και θα ήθελα να γράψω ένα ξεχωριστό άρθρο σχετικά με τη φόρτιση των κυττάρων ιόντων λιθίου.

Κατάσταση φόρτισης (SOC)%: Η κατάσταση φόρτισης δεν είναι παρά η χωρητικότητα της μπαταρίας, παρόμοια με αυτήν που εμφανίζεται στο κινητό μας τηλέφωνο. Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας δεν μπορεί να υπολογιστεί απλώς με τη βαλβίδα τάσης, κανονικά υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την τρέχουσα ολοκλήρωση για τον προσδιορισμό της μεταβολής της χωρητικότητας της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου.

Βάθος εκφόρτισης (DOD)%: Πόσο μακριά μπορεί να αποφορτιστεί η μπαταρία δίνεται από το DOD. Καμία μπαταρία δεν θα έχει 100% αποφόρτιση, δεδομένου ότι γνωρίζουμε ότι θα καταστρέψει την μπαταρία. Κανονικά έχει ρυθμιστεί βάθος εκφόρτισης 80% για όλες τις μπαταρίες.

Διάσταση κελιού: Ένα άλλο μοναδικό και ενδιαφέρον χαρακτηριστικό του κελιού 18650 είναι η διάστασή του. Κάθε κελί θα έχει διάμετρο 18 mm και ύψος 650 mm που κάνει αυτό το κελί να πάρει το όνομά του 18650.

Εάν θέλετε περισσότερους ορισμούς ορολογίας, ανατρέξτε στην τεκμηρίωση ορολογίας μπαταρίας MIT, όπου είστε βέβαιοι ότι θα βρείτε περισσότερες τεχνικές παραμέτρους που σχετίζονται με μια μπαταρία.

Ευκολότερος τρόπος για να χρησιμοποιήσετε ένα κελί 18650

Εάν είστε ένας αρχάριος και μόλις ξεκινήσετε με 18650 κελιά για να τροφοδοτήσετε το έργο σας, τότε ο ευκολότερος τρόπος θα ήταν να χρησιμοποιήσετε έτοιμες μονάδες που μπορούν να φορτίσουν και να εκφορτώσουν με ασφάλεια τα 18650 κελιά σας. Μόνο μια τέτοια μονάδα είναι η μονάδα TP4056 που μπορεί να χειριστεί ένα μόνο κελί 18650.

Εάν το έργο απαιτεί περισσότερο από 3,6V ως τάση εισόδου, τότε ίσως θελήσετε να συνδυάσετε δύο σειρές 18650 κυψελίδων για να λάβετε τάση 7,4V. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιήστε μια μονάδα όπως η μονάδα μπαταρίας ιόντων λιθίου 2S 3A πρέπει να είναι χρήσιμη για τη φόρτιση και την αποφόρτιση των μπαταριών με ασφάλεια.

Για να συνδυάσουμε δύο ή περισσότερα 18650 κύτταρα, δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε συμβατική τεχνική συγκόλλησης για να κάνουμε σύνδεση μεταξύ των δύο αντ 'αυτού, χρησιμοποιείται μια διαδικασία που ονομάζεται spot συγκόλληση. Επίσης, ενώ συνδυάζουμε 18650 κύτταρα σε σειρά ή παράλληλα, πρέπει να δίνεται περισσότερη προσοχή, η οποία συζητείται στην επόμενη παράγραφο.

Πακέτο μπαταριών ιόντων λιθίου (κελιά σε σειρά και παράλληλα)

Για να τροφοδοτήσετε μικρές φορητές ηλεκτρονικές συσκευές ή μικρές συσκευές, ένα μόνο κελί 18650 ή το πολύ ένα ζευγάρι από αυτά σε σειρά θα έκανε το τέχνασμα. Σε αυτόν τον τύπο εφαρμογής η πολυπλοκότητα είναι μικρότερη καθώς ο αριθμός των εμπλεκόμενων μπαταριών είναι μικρότερος. Αλλά για μεγαλύτερες εφαρμογές όπως ένα ηλεκτρικό κύκλωμα / μοτοποδήλατο ή αυτοκίνητα Tesla θα χρειαστεί να συνδέσουμε πολλά από αυτά τα κελιά σε σειρά και παράλληλα τρόπο για να επιτύχουμε την επιθυμητή τάση και χωρητικότητα εξόδου. Για παράδειγμα, το αυτοκίνητο Tesla περιέχει πάνω από 6800 κελιά λιθίου το καθένα με βαθμολογία 3.7V και 3.1Ah. Η παρακάτω εικόνα δείχνει πώς είναι τοποθετημένη μέσα στο πλαίσιο του αυτοκινήτου.

Με αυτόν τον μεγάλο αριθμό κυψελών για παρακολούθηση, χρειαζόμαστε ένα ειδικό κύκλωμα το οποίο μπορεί να φορτίζει, να παρακολουθεί και να εκφορτώνει αυτά τα κελιά με ασφάλεια. Αυτό το ειδικό σύστημα ονομάζεται Σύστημα παρακολούθησης μπαταρίας (BMS). Η δουλειά του BMS είναι να παρακολουθεί την ατομική τάση κυττάρων κάθε κυττάρου ιόντων λιθίου και επίσης να ελέγχει για τη θερμοκρασία του. Εκτός από αυτό, ορισμένα BMS παρακολουθούν επίσης το ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης του συστήματος.

Όταν συνδυάζετε περισσότερα από δύο κύτταρα για να σχηματίσετε ένα πακέτο, πρέπει να προσέχετε ότι έχουν την ίδια χημεία, τάση, βαθμολογία Ah και εσωτερική αντίσταση. Επίσης, κατά τη φόρτιση των κυψελών, το BMS διασφαλίζει ότι φορτίζονται ομοιόμορφα και αποφορτίζονται ομοιόμορφα, έτσι ώστε ανά πάσα στιγμή όλες οι μπαταρίες να διατηρούν την ίδια τάση, αυτό ονομάζεται Εξισορρόπηση κυττάρων. Εκτός από αυτό, ο σχεδιαστής πρέπει επίσης να ανησυχεί για την ψύξη αυτών των μπαταριών κατά τη φόρτιση και την αποφόρτιση, καθώς δεν ανταποκρίνονται καλά κατά τη διάρκεια υψηλών θερμοκρασιών.

Ελπίζω ότι αυτό το άρθρο σας έχει παράσχει αρκετές λεπτομέρειες για να είστε σίγουροι για τα κύτταρα Li-ion. Εάν έχετε συγκεκριμένες αμφιβολίες, μη διστάσετε να αφήσετε το σχόλιο στην ενότητα σχολίων και θα προσπαθήσω ό, τι καλύτερο μπορώ να απαντήσω. Μέχρι τότε χαρούμενος.