- Ličio jonų akumuliatorių istorija
- Ličio jonų akumuliatorių chemija ir darbas
- Įvadas į ličio jonų baterijas
- Lengviausias būdas naudoti 18650 langelį
- Ličio jonų akumuliatorių paketas (elementai nuosekliai ir lygiagrečiai)
Nebent kai kurie Tony Starkas įstos ir nesugalvos lankinio reaktoriaus ar Saulės energijos palydovų (SPS) tyrimų, skirtų bevieliui energijos perdavimui, mes, žmonės, turime priklausyti nuo baterijų, kad galėtume maitinti savo nešiojamus ar nuotolinius elektroninius prietaisus. Labiausiai paplitęs akumuliatorius, kurį rasite buitinėje elektronikoje, yra ličio jonų arba ličio polimero tipo. Šiame straipsnyje mes norėtume domėtis ličio jonų baterijomis, nes jos paprastai yra naudingesnės nei visos kitos baterijos. Ar tai būtų mažas maitinimo bankas, ar nešiojamas kompiuteris, ar kažkas tokio dydžio, kaip „Tesla“ naujasis „Model 3“, viską maitina ličio jonų baterija.
Kuo šios baterijos ypatingos? Ką turėtumėte žinoti apie tai prieš naudodamiesi savo projektuose / projektuose? Kaip saugiai įkrausite ar iškrausite šias baterijas? Jei norite sužinoti atsakymus į visus šiuos klausimus, patekote į tinkamą straipsnį, tiesiog atsisėskite ir perskaitykite, kol aš stengsiuosi tai išlaikyti kuo įdomiau.
Ličio jonų akumuliatorių istorija
Ličio jonų baterijos idėją pirmą kartą sugalvojo GN Lewisas 1912 m., Tačiau ji tapo įmanoma tik 1970-aisiais ir pirmoji neužkraunama ličio baterija buvo pristatyta į komercines rinkas. Vėliau, 1980-aisiais, inžinieriai bandė pagaminti pirmąją įkraunamą bateriją, naudodami ličio, kaip anodo medžiagą, ir buvo iš dalies sėkmingi. Jie nepastebėjo, kad šio tipo ličio baterijos įkrovimo metu buvo nestabilios, todėl akumuliatoriaus viduje atsiras trumpas akumuliatorius, padidinantis temperatūrą ir sukeliantis terminį pabėgimą.
1991 m. Viena tokia ličio baterija, naudojama mobiliesiems telefonams, Japonijoje sprogo ant vyro veido. Tik po šio įvykio suprato, kad su ličio jonų baterijomis reikia elgtis labai atsargiai. Tuomet gamintojai atkreipė dėmesį į didžiulį šių rūšių baterijų skaičių, kurie buvo rinkoje. Vėliau po daugybės tyrimų „Sony“ pristatė pažangias ličio jonų baterijas su nauja chemija, kuri naudojama iki šiol. Užbaikime čia istorijos pamokas ir panagrinėkime ličio jonų baterijos chemiją.
Ličio jonų akumuliatorių chemija ir darbas
Kaip akivaizdžiai rodo pavadinimas, ličio jonų baterijos darbui atlikti naudoja ličio jonus. Ličio yra labai lengvas metalas, turintis didelį energijos tankį, todėl ši savybė suteikia baterijai lengvą svorį ir užtikrina didelę srovę su mažu formos koeficientu. Energijos tankis yra energijos kiekis, kurį galima kaupti akumuliatoriaus tūrio vienete, tuo didesnis energijos tankis, tuo mažesnė bus baterija. Nepaisant didžiulių ličio metalo savybių, jo negalima naudoti kaip elektrodą tiesiogiai baterijose, nes ličio dėl savo metalinio pobūdžio jis yra labai nestabilus. Taigi mes naudojame ličio jonus, kurie daugiau ar mažiau turi tą pačią metalo ličio savybę, tačiau yra nemetaliniai ir yra palyginti saugesni naudoti.
Paprastai ličio baterijos anodas gaminamas iš anglies, o katodo katodas - iš kobalto oksido ar kito metalo oksido. Elektrolitas, naudojamas jungiant šiuos du elektrodus, bus paprastas druskos tirpalas, kuriame yra ličio jonų. Išleisdami teigiamai įkrautus ličio jonus, eikite link katodo ir bombarduokite, kol jis teigiamai įkraus. Nuo katodo teigiamo įkrovimo jis pritraukia neigiamai įkrautus elektronus. Šie elektronai priversti tekėti per mūsų grandinę, taip maitindami grandinę.
Panašiai ir kraunant, vyksta visiškai priešingai. Elektronai iš krūvių patenka į akumuliatorių, taigi ličio jonai juda link anodo, todėl katodas praranda teigiamą krūvį.
Įvadas į ličio jonų baterijas
Užtenka teorijos apie ličio jonų baterijas, dabar praktiškai sužinokime apie šias ląsteles, kad galėtume būti tikri dėl jų naudojimo savo projektuose. Dažniausiai naudojama ličio jonų baterija yra „18650 Cells“, todėl apie tą patį aptarsime šiame straipsnyje. Tipinis 18650 langelis parodytas paveikslėlyje žemiau
Kaip ir visos baterijos, ličio jonų baterija taip pat turi įtampą ir talpą. Visų ličio elementų vardinė įtampa bus 3,6 V, todėl jums reikia didesnės įtampos specifikacijos, kad ją pasiektumėte, turite sujungti du ar daugiau elementų nuosekliai. Pagal numatytuosius nustatymus visų ličio jonų elementų vardinė įtampa bus tik ~ 3,6 V. Kai visiškai iškraunama, ši įtampa gali nusileisti iki 3,2 V, o visiškai įkrauta - iki 4,2 V. Visada atminkite, kad iškrovus akumuliatorių žemiau 3,2 V arba įkraunant virš 4,2 V, baterija bus visam laikui sugadinta ir tai taip pat gali tapti fejerverkų receptu. Leidžia išskaidyti terminus, susijusius su 18650 baterija, kad galėtume geriau suprasti. Atminkite, kad šie paaiškinimai taikomi tik vienai 18650 ląstelei. Vėliau daugiau pateksime į ličio jonų akumuliatorių paketus, kur daugiau nei viena ląstelė yra sujungta nuosekliai arba lygiagrečiai, kad gautų daug didesnę įtampą ir srovę.
Nominali įtampa: nominali įtampa yra faktinė 18650 elemento įtampa. Pagal numatytuosius nustatymus jis yra 3,6 V ir išliks toks pats visoms 18650 ląstelėms, nepaisant jo gamintojų.
Visiška iškrovos įtampa: 18650 elementui niekada neturėtų būti leidžiama išsikrauti žemiau 3,2 V, to nepadarius, pasikeis vidinis akumuliatoriaus atsparumas, kuris visam laikui sugadins akumuliatorių ir taip pat gali sukelti sprogimą
Viso įkrovimo įtampa: ličio jonų elemento įkrovimo įtampa yra 4,2 V. Reikėtų pasirūpinti, kad elemento įtampa bet kuriuo metu nepadidėtų 4,2 V.
mAh įvertinimas: Ląstelės talpa paprastai nurodoma pagal mAh (Milli Amperės valandą) įvertinimą. Ši vertė skirsis priklausomai nuo įsigyto langelio tipo. Pavyzdžiui, tarkime, kad mūsų ląstelė yra 2000mAh, o tai yra ne kas kita, kaip 2Ah (amperas / val.). Tai reiškia, kad jei iš šios baterijos paimsime 2A, ji tarnaus 1 valandą ir panašiai, jei iš šios baterijos ištrauksime 1A, ji tarnaus 2 valandas. Taigi, jei norite sužinoti, kiek laiko baterija bus energija, kurią jūs suprojektuosite („Veikimo laikas“), turite ją apskaičiuoti naudodami „mAh“ reitingą.
Veikimo laikas (valandomis) = srovės ištraukimo / mAh įvertinimas
Kur srovė turi būti C kategorijos ribose.
„C“ įvertinimas: jei kada pagalvojote, koks yra didžiausias srovės kiekis, kurį galite pasisemti iš akumuliatoriaus, atsakymą galite gauti iš akumuliatoriaus C įvertinimo. Akumuliatoriaus C įvertinimas vėl keičiasi kiekvienai baterijai, tarkime, kad mūsų turima baterija yra 2Ah baterija su 3C reitingu. 3C reikšmė reiškia, kad akumuliatorius gali išgauti 3 kartus didesnę nominalią Ah vertę kaip didžiausia jo srovė. Šiuo atveju jis gali tiekti iki 6A (3 * 2 = 6) kaip didžiausią srovę. Paprastai 18650 langelių turi tik 1C reitingą.
Didžiausia srovė, gaunama iš akumuliatoriaus = C Įvertinimas * Ah Įvertinimas
Įkrovimo srovė: Kita svarbi akumuliatoriaus specifikacija, kurią reikia pastebėti, yra jos įkrovimo srovė. Tai, kad baterija gali tiekti maksimalią 6A srovę, dar nereiškia, kad ji gali būti įkrauta 6A. Didžiausia akumuliatoriaus įkrovimo srovė bus paminėta akumuliatoriaus duomenų lape, nes ji skiriasi priklausomai nuo akumuliatoriaus. Paprastai tai bus 0,5C, o tai reiškia pusę Ah reitingo vertės. 2Ah akumuliatoriaus įkrovimo srovė bus 1A (0,5 * 2 = 1).
Įkrovimo laikas: mažiausią įkrovimo laiką, reikalingą vienam 18650 elementui įkrauti, galima apskaičiuoti naudojant įkrovimo srovės vertę ir akumuliatoriaus Ah įvertinimą. Pvz., 2Ah akumuliatoriaus įkrovimas naudojant 1A įkrovimo srovę užtruks maždaug 2 valandas, darant prielaidą, kad įkroviklis elementui įkrauti naudoja tik CC metodą.
Vidinis atsparumas (IR): Akumuliatoriaus būklę ir talpą galima nuspėti matuojant vidinį akumuliatoriaus atsparumą. Tai yra ne kas kita, kaip varžos tarp akumuliatoriaus anodo (teigiamo) ir katodo (neigiamo) gnybtų vertė. Tipinė langelio IR vertė bus paminėta duomenų lape. Kuo daugiau jis nukris nuo faktinės vertės, tuo mažiau veiks baterija. IR vertė 18650 ląstelėje bus milijamų diapazone, ir yra specialūs prietaisai, skirti išmatuoti IR vertę.
Įkrovimo metodai: Yra daugybė būdų, kuriais apmokestinama ličio jonų ląstelė. Tačiau dažniausiai naudojama 3 pakopų topologija. Trys veiksmai yra CC, CV ir „trickle“ įkrovimas. Į CC (nuolatinės srovės) režimu ląstelė yra pavesta konstanta, įkrovimo srovei keičiant įėjimo įtampa. Šis režimas bus aktyvus, kol baterija bus įkrauta iki tam tikro lygio, tada CV (nuolatinė įtampa)režimas prasideda ten, kur paprastai palaikoma 4,2 V įkrovimo įtampa. Galutinis režimas yra impulsinis įkrovimas arba įkrovimas, kai maži srovės impulsai perduodami akumuliatoriui, kad pagerėtų akumuliatoriaus gyvavimo ciklas. Taip pat yra daug sudėtingesnių įkroviklių, apimančių 7 pakopų įkrovimą. Mes nesigilinsime į šią temą, nes ji yra toli nuo šio straipsnio taikymo srities. Bet jei norite sužinoti apie tai komentarų skyriuje ir parašysiu atskirą straipsnį apie ličio jonų elementų įkrovimą.
Įkrovimo būsena (SOC)%: įkrovimo būsena yra ne kas kita, kaip akumuliatoriaus talpa, panaši į nurodytą mūsų mobiliajame telefone. Akumuliatoriaus talpos negalima aiškiai apskaičiuoti naudojant įtampos vožtuvą, jis paprastai apskaičiuojamas naudojant srovės integraciją, siekiant nustatyti akumuliatoriaus talpos pokytį laikui bėgant.
Išsikrovimo gylis (DOD)%: kiek baterija gali išsikrauti, nurodo DOD. Nė viena baterija nebus visiškai iškrauta, nes, kaip žinome, ji sugadins akumuliatorių. Paprastai 80% iškrovimo gylis nustatomas visoms baterijoms.
Ląstelės matmuo: dar viena unikali ir įdomi 18650 langelio ypatybė yra jos matmuo. Kiekvienos ląstelės skersmuo yra 18 mm, o aukštis - 650 mm, todėl ši ląstelė gauna savo pavadinimą 18650.
Jei norite daugiau terminijos apibrėžimų, perskaitykite „MIT Battery“ terminų dokumentaciją, kur tikrai rasite daugiau techninių parametrų, susijusių su akumuliatoriumi.
Lengviausias būdas naudoti 18650 langelį
Jei esate visiškas naujokas ir dar tik pradedate naudotis 18650 ląstelėmis, kad galėtumėte valdyti savo projektą, paprasčiausias būdas būtų naudoti paruoštus modulius, kurie gali saugiai įkrauti ir iškrauti 18650 ląstelių. Tik toks modulis yra TP4056 modulis, kuris gali apdoroti vieną 18650 langelį.
Jei jūsų projektui reikalinga daugiau nei 3,6 V, kaip įvesties įtampa, galbūt norėsite sujungti du 18650 elementus nuosekliai, kad gautumėte 7,4 V įtampą. Tokiu atveju naudokite modulį, pvz., 2S 3A ličio jonų akumuliatorių modulį, kad galėtumėte saugiai įkrauti ir iškrauti baterijas.
Norėdami sujungti dvi ar daugiau 18650 elementų, mes negalime naudoti įprastos litavimo technikos, kad užmegztume ryšį tarp abiejų, o vietoje proceso naudojamas taškinis suvirinimas. Be to, derinant 18650 ląstelių nuosekliai arba lygiagrečiai, reikėtų būti atsargesniems, kurie aptariami kitoje pastraipoje.
Ličio jonų akumuliatorių paketas (elementai nuosekliai ir lygiagrečiai)
Mažas nešiojamos elektronikos ar mažų prietaisų maitinimas būtų vienas 18650 elementas arba daugiausia jų pora iš eilės. Tokio tipo naudojimo atveju sudėtingumas yra mažesnis, nes naudojamų baterijų skaičius yra mažesnis. Tačiau norint naudoti didesnes taikymo sritis, pvz., „Electric Cycle / Moped“ ar „Tesla“ automobilius, reikės daugybę šių elementų prijungti nuosekliai ir lygiagrečiai, kad pasiektume norimą išėjimo įtampą ir talpą. Pavyzdžiui, „Tesla“ automobilyje yra daugiau nei 6800 ličio elementų, kurių kiekvienas yra 3,7 V ir 3,1 Ah. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kaip jis išdėstytas automobilio važiuoklės viduje.
Turint tiek daug ląstelių, kad galėtume stebėti, mums reikia specialios grandinės, kuri galėtų tiesiog saugiai įkrauti, stebėti ir iškrauti šias ląsteles. Ši speciali sistema vadinama baterijų stebėjimo sistema (BMS). BMS užduotis yra stebėti kiekvieno ličio jonų elemento atskirą elemento įtampą ir patikrinti jo temperatūrą. Be to, kai kurie BMS taip pat stebi sistemos įkrovimo ir iškrovimo srovę.
Sujungiant daugiau nei dvi ląsteles, kad būtų suformuota pakuotė, reikia pasirūpinti, kad jų cheminė savybė, įtampa, Ah įvertinimas ir vidinis atsparumas būtų vienodi. Kraunant elementus, BMS užtikrina, kad jos būtų įkraunamos tolygiai ir išsikrautų tolygiai, kad bet kuriuo metu visos baterijos išlaikytų tą pačią įtampą, tai vadinama ląstelių balansavimu. Be to, dizaineriui taip pat tenka nerimauti dėl šių baterijų aušinimo kraunant ir iškraunant, nes esant aukštai temperatūrai jie blogai reaguoja.
Tikiuosi, kad šiame straipsnyje pateikiama pakankamai informacijos, kad galėtumėte šiek tiek pasitikėti Li-ion ląstelėmis. Jei turite kokių nors konkrečių abejonių, nedvejodami palikite komentarų skyriuje ir aš pasistengsiu atsakyti. Iki to laiko linksmai skynėsi.