Ein Schlüsselelement für die Mobilität elektronischer Geräte ist die wiederaufladbare Batterie (ACB). Wachsende Anforderungen zur Sicherstellung ihrer längsten Autonomie regen die kontinuierliche Forschung auf diesem Gebiet an und führen zur Entstehung neuer technologischer Lösungen.
Die weit verbreiteten Nickel-Cadmium- (Ni-Cd) und Nickel-Metallhydrid- (Ni-MH) Akkus haben eine Alternative - zuerst Lithium-Akkus und dann fortschrittlichere Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion).
Inhalt
Geschichte des Aussehens
Die ersten Batterien dieser Art erschienen in den 70er Jahren. letztes Jahrhundert. Aufgrund fortschrittlicherer Eigenschaften gewannen sie sofort an Nachfrage. Die Anode der Elemente bestand aus metallischem Lithium, dessen Eigenschaften es ermöglichten, die spezifische Energie zu erhöhen. So wurden Lithiumbatterien geboren.
Die neuen Batterien hatten einen erheblichen Nachteil - ein erhöhtes Explosions- und Entzündungsrisiko.Der Grund lag in der Bildung eines Lithiumfilms auf der Elektrodenoberfläche, der zu einer Verletzung der Temperaturstabilität führte. Im Moment der maximalen Belastung könnte der Akku explodieren.
Die Verfeinerung der Technologie hat dazu geführt, dass reines Lithium in Batteriekomponenten zugunsten der Verwendung seiner positiv geladenen Ionen aufgegeben wurde. Der Lithium-Ionen-Akku erwies sich als gute Lösung.
Diese Art von Ionenbatterien zeichnet sich durch eine höhere Sicherheit aus, die auf Kosten einer leichten Abnahme der Energiedichte erzielt wird, aber der ständige technologische Fortschritt hat es ermöglicht, den Verlust dieses Indikators auf ein Minimum zu reduzieren.
Gerät
Die Einführung von Lithium-Ionen-Batterien in der Unterhaltungselektronikindustrie erzielte einen Durchbruch nach der Entwicklung einer Batterie mit einer Kathode aus Kohlenstoffmaterial (Graphit) und einer Kobaltoxid-Anode.
Beim Entladevorgang der Batterie werden Lithium-Ionen aus dem Kathodenmaterial herausgelöst und in das Kobaltoxid der Gegenelektrode eingebaut, beim Laden läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Somit erzeugen Lithium-Ionen einen elektrischen Strom, der sich von einer Elektrode zur anderen bewegt.
Li-Ionen-Akkus werden in zylindrischer und prismatischer Ausführung hergestellt. In einer zylindrischen Struktur werden zwei Bänder aus flachen Elektroden, die durch ein mit Elektrolyt imprägniertes Material getrennt sind, aufgerollt und in einem versiegelten Metallgehäuse platziert. Das Kathodenmaterial wird auf Aluminiumfolie und das Anodenmaterial auf Kupferfolie abgeschieden.
Ein prismatisches Batteriedesign wird erhalten, indem rechteckige Platten übereinander gestapelt werden. Diese Form der Batterie macht es möglich, das Layout des elektronischen Geräts dichter zu machen. Es werden auch prismatische Batterien mit zu einer Spirale verdrehten gerollten Elektroden hergestellt.
Betrieb und Lebensdauer
Bei Beachtung der Betriebsregeln ist ein langer, voller und sicherer Betrieb von Lithium-Ionen-Akkus möglich, deren Nichtbeachtung nicht nur die Lebensdauer des Produktes verkürzt, sondern auch negative Folgen haben kann.
Ausbeutung
Die wichtigste Anforderung für den Betrieb von Li-Ion-Akkus betrifft die Temperatur – eine Überhitzung sollte nicht zugelassen werden. Hohe Temperaturen können maximalen Schaden anrichten, und die Ursache für Überhitzung kann sowohl eine externe Quelle als auch belastende Arten des Ladens und Entladens der Batterie sein.
Beispielsweise führt eine Erwärmung auf 45 °C zu einer Verringerung der Fähigkeit, eine Batterieladung zu halten, um das Zweifache. Diese Temperatur wird leicht erreicht, wenn das Gerät längere Zeit der Sonne ausgesetzt ist oder energieintensive Anwendungen ausgeführt werden.
Wenn das Produkt überhitzt, wird empfohlen, es an einem kühlen Ort zu platzieren, es ist besser, es auszuschalten und den Akku zu entfernen.
Für die beste Akkuleistung in der Sommerhitze sollten Sie den Energiesparmodus verwenden, der auf den meisten Mobilgeräten verfügbar ist.
Auch niedrige Temperaturen wirken sich negativ auf Ionen-Akkus aus, bei Temperaturen unter -4°C kann der Akku nicht mehr die volle Leistung erbringen.
Aber Kälte ist für Li-Ion-Akkus nicht so schädlich wie hohe Temperaturen und verursacht meistens keine dauerhaften Schäden. Trotz der Tatsache, dass nach dem Aufwärmen auf Raumtemperatur die Arbeitseigenschaften des Akkus vollständig wiederhergestellt sind, sollten Sie die Kapazitätsabnahme bei Kälte nicht vergessen.
Eine weitere Empfehlung für den Einsatz von Li-Ion-Akkus ist der Schutz vor Tiefentladung. Viele Batterien der älteren Generation hatten einen Memory-Effekt, der es erforderlich machte, sie auf Null zu entladen und dann vollständig aufzuladen.Li-Ion-Akkus haben diesen Effekt nicht, vereinzelte Tiefentladungen haben keine negativen Folgen, aber ständige Tiefentladung ist schädlich. Es wird empfohlen, das Ladegerät bei einem Ladezustand von 30 % anzuschließen.
Lebensdauer
Unsachgemäßer Betrieb von Li-Ion-Akkus kann ihre Lebensdauer um das 10- bis 12-fache reduzieren. Dieser Zeitraum hängt direkt von der Anzahl der Ladezyklen ab. Es wird angenommen, dass Batterien vom Li-Ion-Typ 500 bis 1000 Zyklen standhalten können, wobei eine vollständige Entladung berücksichtigt wird. Ein höherer Prozentsatz der verbleibenden Ladung vor dem nächsten Aufladen verlängert die Batterielebensdauer erheblich.
Da die Lebensdauer von Li-Ion-Akkus weitgehend von den Betriebsbedingungen bestimmt wird, ist es unmöglich, eine genaue Lebensdauer für diese Akkus anzugeben. Im Durchschnitt kann eine Batterie dieses Typs mit einer Lebensdauer von 7-10 Jahren rechnen, wenn die erforderlichen Vorschriften eingehalten werden.
Ladevorgang
Vermeiden Sie beim Laden eine zu lange Verbindung des Akkus mit dem Ladegerät. Der normale Betrieb eines Lithium-Ionen-Akkus erfolgt bei einer Spannung von maximal 3,6 V. Ladegeräte liefern während des Ladevorgangs 4,2 V an den Akkueingang. Wird die Ladezeit überschritten, können im Akku unerwünschte elektrochemische Reaktionen einsetzen, die zu einer Überhitzung führen mit allen daraus resultierenden Folgen.
Die Entwickler haben ein solches Merkmal berücksichtigt - die Sicherheit des Ladens moderner Li-Ion-Akkus wird durch ein spezielles eingebautes Gerät gesteuert, das den Ladevorgang stoppt, wenn die Spannung über das zulässige Niveau steigt.
Für Lithium-Akkus ist das zweistufige Ladeverfahren richtig.In der ersten Stufe muss die Batterie geladen werden, wobei ein konstanter Ladestrom bereitgestellt wird, die zweite Stufe muss mit einer konstanten Spannung und einer allmählichen Verringerung des Ladestroms durchgeführt werden. Ein solcher Algorithmus ist in den meisten Haushaltsladegeräten in Hardware implementiert.
Lagerung und Entsorgung
Ein Lithium-Ionen-Akku kann lange gelagert werden, die Selbstentladung beträgt 10-20% pro Jahr. Gleichzeitig tritt jedoch eine allmähliche Abnahme der Eigenschaften des Produkts (Abbau) auf.
Es wird empfohlen, solche Batterien an einem vor Feuchtigkeit geschützten Ort bei einer Temperatur von +5 ... + 25 ° C zu lagern. Starke Vibrationen, Stöße und die Nähe zu einer offenen Flamme sind unzulässig.
Der Prozess des Recyclings von Lithium-Ionen-Zellen muss von spezialisierten Unternehmen durchgeführt werden, die über die entsprechende Lizenz verfügen. Etwa 80 % der Materialien aus recycelten Batterien können bei der Herstellung neuer Batterien wiederverwendet werden.
Sicherheit
Eine Lithium-Ionen-Batterie, selbst in Miniaturgröße, birgt die Gefahr einer explosionsartigen Selbstentzündung. Diese Eigenschaft dieses Batterietyps erfordert die Einhaltung von Sicherheitsmaßnahmen in allen Phasen, von der Entwicklung über die Produktion bis hin zur Lagerung.
Um die Sicherheit von Li-Ion-Batterien während der Herstellung zu verbessern, wird in ihrem Gehäuse eine kleine elektronische Platine platziert - ein Überwachungs- und Steuersystem, das Überlastungen und Überhitzung verhindern soll. Ein elektronischer Mechanismus erhöht den Widerstand des Schaltkreises, wenn die Temperatur über eine vorbestimmte Grenze steigt. Einige Batteriemodelle haben einen eingebauten mechanischen Schalter, der den Stromkreis unterbricht, wenn der Druck in der Batterie ansteigt.
Außerdem ist in Batteriegehäusen oft ein Sicherheitsventil eingebaut, um im Notfall den Druck zu entlasten.
Vor- und Nachteile von Lithium-Batterien
Die Vorteile dieses Batterietyps sind:
- hohe Energiedichte;
- kein Memory-Effekt;
- lange Lebensdauer;
- niedrige Selbstentladungsrate;
- kein Wartungsbedarf;
- Gewährleistung konstanter Betriebsparameter über einen relativ weiten Temperaturbereich.
Es hat eine Lithiumbatterie und Nachteile, diese sind:
- Gefahr der Selbstentzündung;
- höhere Kosten als seine Vorgänger;
- die Notwendigkeit eines eingebauten Controllers;
- Unerwünschte Tiefentladung.
Technologien zur Herstellung von Li-Ion-Akkus werden ständig verbessert, viele Mängel gehören nach und nach der Vergangenheit an.
Anwendungsgebiet
Die hohe Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus bestimmt ihren Hauptanwendungsbereich – mobile elektronische Geräte: Laptops, Tablets, Smartphones, Videokameras, Fotoapparate, Navigationssysteme, verschiedene Einbausensoren und eine Reihe weiterer Produkte.
Das Vorhandensein eines zylindrischen Formfaktors dieser Batterien ermöglicht ihre Verwendung in Taschenlampen, Festnetztelefonen und anderen Geräten, die zuvor Strom aus Einwegbatterien verbrauchten.
Das Lithium-Ionen-Prinzip zum Bau einer Batterie hat mehrere Varianten, die Typen unterscheiden sich in der Art der verwendeten Materialien (Lithium-Kobalt, Lithium-Mangan, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid usw.). Jeder von ihnen hat seinen eigenen Geltungsbereich.
Neben der mobilen Elektronik wird eine Gruppe von Lithium-Ionen-Batterien in folgenden Bereichen eingesetzt:
- Elektrische Handwerkzeuge;
- tragbare medizinische Geräte;
- unterbrechungsfreie Stromversorgungen;
- Sicherheitssysteme;
- Notbeleuchtungsmodule;
- solarbetriebene Stationen;
- Elektrofahrzeuge und Elektrofahrräder.
In Anbetracht der ständigen Verbesserung der Lithium-Ionen-Technologie und des Erfolgs bei der Entwicklung von Batterien mit hoher Kapazität und kleinen Abmessungen ist es möglich, die Ausweitung der Anwendungen für solche Batterien vorherzusagen.
Markierung
Die Parameter von Lithium-Ionen-Batterien sind auf dem Gehäuse des Produkts aufgedruckt, während die verwendete Codierung für verschiedene Größen erheblich abweichen kann. Ein einheitlicher Batteriekennzeichnungsstandard für alle Hersteller wurde noch nicht entwickelt, aber es ist immer noch möglich, die wichtigsten Parameter selbst herauszufinden.
Die Buchstaben in der Markierungslinie weisen auf den Zelltyp und die verwendeten Materialien hin: Der erste Buchstabe I bedeutet Lithium-Ionen-Technologie, der nächste Buchstabe (C, M, F oder N) gibt die chemische Zusammensetzung an, der dritte Buchstabe R bedeutet, dass die Zelle ist wiederaufladbar (Rechargeable).
Die Zahlen in der Größenbezeichnung geben die Größe des Akkus in Millimetern an: Die ersten beiden Zahlen geben den Durchmesser an, die anderen beiden die Länge. Beispielsweise steht 18650 für einen Durchmesser von 18 mm und eine Länge von 65 mm, 0 für einen zylindrischen Formfaktor.
Die letzten Buchstaben und Zahlen in der Reihe sind die herstellerspezifischen Behälterkennzeichnungen. Auch für die Angabe des Herstellungsdatums gibt es keine einheitlichen Standards.
