Lityum iyon piller modern cep telefonlarında, dizüstü bilgisayarlarda ve tabletlerde kullanılmaktadır. Taşınabilir elektronik pazarındaki alkalin pilleri yavaş yavaş değiştirdiler. Daha önce, bu cihazların tümü nikel-kadmiyum ve nikel-metal hidrit piller kullanıyordu. Ancak Li─Ion pillerin performansı daha iyi olduğu için günleri sona erdi. Doğru, her bakımdan alkalinin yerini alamazlar. Örneğin, nikel-kadmiyum pillerin yayabileceği akımlar onlar için elde edilemez. Bu, akıllı telefonlara ve tabletlere güç sağlamak için kritik değildir. Bununla birlikte, çok fazla akım çeken taşınabilir elektrikli aletler alanında, alkalin piller hala kullanımdadır. Ancak kadmiyum içermeyen yüksek deşarj akımlı piller geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Bugün lityum iyon piller, yapıları, çalışma ve geliştirme beklentileri hakkında konuşacağız.

Lityum anotlu ilk pil hücreleri, geçen yüzyılın yetmişli yıllarında üretildi. Yüksek özgül enerji yoğunluğuna sahiplerdi ve bu da onları hemen talep haline getirdi. Uzmanlar uzun zamandır yüksek aktiviteye sahip bir alkali metal kaynağı geliştirmeye çalışıyorlar. Sonuç olarak, bu tip pillerin yüksek voltajı ve özgül enerjisi elde edilmiştir. Aynı zamanda, bu tür elemanların tasarımının gelişimi oldukça hızlı bir şekilde gerçekleştirildi, ancak pratik kullanımları zorluklara neden oldu. Onlarla yalnızca geçen yüzyılın 90'larında baş etmeyi başardılar.

Bu 20 yıl boyunca araştırmacılar, lityum elektrotun ana problem olduğu sonucuna vardılar. Bu metal çok aktiftir ve çalışma sırasında, sonunda tutuşmaya neden olan bir dizi işlem gerçekleşti. Bu, alev havalandırması olarak bilinir hale geldi. Bu nedenle, 90'lı yılların başında üreticiler cep telefonları için pilleri geri çağırmak zorunda kaldılar.

Bu, bir dizi kazadan sonra oldu. Konuşma anında bataryadan tüketilen akım maksimuma ulaştı ve bir alev çıkmasıyla havalandırma başladı. Sonuç olarak, kullanıcılar tarafından birçok yüz yanması vakası olmuştur. Bu nedenle, bilim adamları lityum iyon pillerin tasarımını geliştirmek zorunda kaldı.

Lityum metal, özellikle şarj etme ve boşaltma sırasında son derece dengesizdir. Bu nedenle araştırmacılar, lityum kullanmadan lityum tipi bir depolama pili oluşturmaya başladı. Bu alkali metalin iyonları kullanılmaya başlandı. İsimlerinin geldiği yer burasıdır.

Lityum iyon piller, daha düşük özgül enerjiye sahiptir. Ancak şarj ve deşarj standartlarına uyulursa güvenlidirler.

Li─Ion pildeki reaksiyonlar

Lityum iyon pilleri tüketici elektroniğine sokma yönünde bir atılım, negatif elektrotun karbon malzemeden yapıldığı pillerin geliştirilmesiydi. Karbonun kristal kafesi, lityum iyonlarının araya girmesi için bir matris olarak çok uygundur. Akü voltajını artırmak için, pozitif elektrot kobalt oksitten yapılmıştır. Dökme kobalt oksidin potansiyeli yaklaşık 4 volttur.

Çoğu lityum iyon pilin çalışma voltajı 3 volt veya daha fazladır. Eksi elektrottaki deşarj sırasında, lityum karbondan arındırılır ve artı elektrotun kobalt oksitine eklenir. Şarj işleminde süreçler tam tersidir. Sistemde metalik lityum olmadığı ortaya çıktı, ancak iyonları bir elektrottan diğerine hareket ederek elektrik akımı yaratarak çalışıyor.

Negatif elektrot reaksiyonları

Tüm modern ticari lityum iyon pillerde bir karbon negatif elektrot bulunur. Lityumun karbona karışmasının karmaşık süreci büyük ölçüde bu malzemenin doğasına ve elektrolit maddesine bağlıdır. Anottaki karbon matris katmanlı bir yapıya sahiptir. Yapı sıralanabilir (doğal veya sentetik grafit) veya kısmen sıralanabilir (kok, is vb.).

İnterkalasyon sırasında, lityum iyonları karbon katmanlarını birbirinden ayırarak aralarına nüfuz eder. Çeşitli interkalatlar elde edilir. İnterkalasyon ve deinterkalasyon sırasında karbon matrisinin özgül hacmi önemsiz bir şekilde değişir. Negatif elektrotta karbon malzemenin yanı sıra gümüş, kalay ve bunların alaşımları da kullanılabilir. Ayrıca silikon, kalay sülfitler, kobalt bileşikleri vb.İle kompozit malzemeler kullanmaya çalışırlar.

Pozitif elektrot reaksiyonları

Birincil lityum hücreler (piller), pozitif elektrot yapmak için genellikle çok çeşitli malzemeler kullanır. Bu pillerde yapılamaz ve malzeme seçimi sınırlıdır. Bu nedenle, Li─Ion pilin pozitif elektrodu lithiated nikel veya kobalt oksitten yapılmıştır. Lityum-manganez spineller de kullanılabilir.

Şu anda katot için karışık fosfat veya oksit malzemeleri üzerinde araştırmalar devam etmektedir. Uzmanlara kanıtlamak mümkün olduğu gibi, bu tür malzemeler lityum iyon pillerin elektriksel özelliklerini iyileştirir. Katot yüzeyine oksit uygulama yöntemleri de geliştirilmektedir.

Bir lityum iyon pilde şarj edildiğinde meydana gelen reaksiyonlar aşağıdaki denklemlerle açıklanabilir:

pozitif elektrot

LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe -

negatif elektrot

С + xLi + + xe - → CLi x

Boşaltma işlemi sırasında reaksiyonlar ters yönde ilerler.

Aşağıdaki şekil şematik olarak bir lityum iyon pilde şarj ve deşarj sırasında meydana gelen işlemleri göstermektedir.

Lityum İyon Pil Cihazı

Li─Ion akümülatörler tasarımlarına göre silindirik ve prizmatik tasarımda yapılmıştır. Silindirik tasarım, elektrotları ayırmak için ayırıcı malzemeye sahip bir elektrot rulosudur. Bu rulo, alüminyum veya çelik bir kasaya yerleştirilmiştir. Buna negatif bir elektrot bağlanır.

Pozitif temas, pilin ucunda bir temas pedi şeklinde ortaya çıkar.

Prizmatik tasarıma sahip Li─Ion piller, dikdörtgen plakaların üst üste dizilmesiyle yapılır. Bu tür piller, ambalajı daha yoğun hale getirmeyi mümkün kılar. Zorluk, elektrotlar üzerindeki sıkıştırma kuvvetinin korunmasında yatmaktadır. Spiral şeklinde bükülmüş elektrotlardan oluşan bir rulo düzeneğine sahip prizmatik piller vardır.

Tüm lityum iyon piller, güvenli çalışmayı sağlayacak önlemlerle tasarlanmıştır. Her şeyden önce bu, ısınmanın ve tutuşmanın önlenmesi ile ilgilidir. Pil kapağının altına sıcaklık katsayısı arttıkça pilin direncini artıran bir mekanizma yerleştirilmiştir. Pilin içindeki basınç izin verilen sınırın üzerine çıktığında, mekanizma pozitif terminali ve katodu kırar.

Ayrıca Li-Ion pillerde çalışma güvenliğini artırmak için elektronik kart zorunludur. Amacı, aşırı ısınmayı ve kısa devreleri önlemek için şarj etme ve boşaltma işlemlerini kontrol etmektir.

Artık birçok prizmatik lityum iyon pil mevcuttur. Akıllı telefonlarda ve tabletlerde uygulama bulurlar. Tek tip bir standardizasyon olmadığından prizmatik pillerin tasarımı genellikle üreticiden üreticiye farklılık gösterebilir. Zıt kutuplu elektrotlar bir ayırıcı ile ayrılır. Üretimi için gözenekli polipropilen kullanılmaktadır.

Li-Ion ve diğer lityum pillerin tasarımı her zaman kapalıdır. Elektrolit sızıntısına izin verilmediğinden bu zorunlu bir gerekliliktir. Dışarı sızarsa, elektronikler hasar görür. Ek olarak, sızdırmaz tasarım, bataryaya su ve oksijenin girmesini engeller. İçeri girerlerse, elektrolit ve elektrotlarla reaksiyona girerek bataryayı bozarlar. Lityum piller için bileşenlerin üretimi ve bunların montajı, argon atmosferinde özel kuru kutularda gerçekleştirilir. Aynı zamanda, karmaşık kaynak, sızdırmazlık vb. Teknikleri kullanılır.

Bir Li-Ion pilin aktif kütle miktarı ile ilgili olarak, üreticiler her zaman bir uzlaşma arayışındadır. Maksimum kapasiteye ulaşmaları ve güvenli çalışmayı sağlamaları gerekir. Tutum esas alınır:

A o / A n \u003d 1.1, burada

Ve yaklaşık - negatif elektrotun aktif kütlesi;

Ve p, pozitif elektrotun aktif kütlesidir.

Bu denge lityum (saf metal) oluşumunu engeller ve yangını ortadan kaldırır.

Li-Ion pil parametreleri

Günümüzde üretilen lityum iyon piller, yüksek özgül enerji kapasitesine ve çalışma voltajına sahiptir. İkincisi çoğu durumda 3,5 ila 3,7 volt arasındadır. Enerji yoğunluğu kilogram başına 100 ila 180 watt-saat veya litre başına 250 ila 400 arasındadır. Bir süre önce üreticiler birkaç amper-saatten daha yüksek kapasiteli piller üretemiyorlardı. Artık bu yönde gelişmeyi engelleyen sorunlar ortadan kaldırıldı. Böylece birkaç yüz amper saat kapasiteli lityum tipi piller satışa sunulmaya başlandı.

Modern Li─Ion pillerin deşarj akımı 2C ile 20C arasında değişir. -20 ile +60 Santigrat arasındaki ortam sıcaklığı aralığında çalışırlar. -40 Santigratta çalışan modeller var. Ancak, özel pil serilerinin düşük sıcaklıklarda çalıştığını hemen söylemeye değer. Cep telefonları için geleneksel lityum iyon piller donma sıcaklıklarında kullanılamaz hale gelir.

Bu tip bir pilin kendi kendine deşarjı ilk ay yüzde 4-6'dır. Sonra azalır ve yıllık yüzdeye ulaşır. Bu, nikel-kadmiyum ve nikel-metal hidrit pillerden önemli ölçüde daha azdır. Hizmet ömrü yaklaşık 400-500 şarj-deşarj döngüsüdür.

Şimdi lityum iyon pillerin çalışmasının özelliklerinden bahsedelim.

Lityum İyon Pillerin Kullanılması

Li─Ion pilleri şarj etme

Lityum iyon pillerin şarjı genellikle birleştirilir. İlk olarak, 4,1-4,2 voltluk bir voltaj kazanana kadar 0,2-1C'lik sabit bir akımda şarj edilirler. Ardından sabit voltajda şarj işlemi gerçekleştirilir. İlk aşama yaklaşık bir saat sürer ve ikincisi yaklaşık iki saat sürer. Pili daha hızlı şarj etmek için darbe modu kullanılır. Başlangıçta grafitli Li─Ion piller üretildi ve onlar için hücre başına 4,1 voltluk bir voltaj sınırı belirlendi. Gerçek şu ki, hücrede daha yüksek bir voltajda, bu pillerin ömrünü kısaltan yan reaksiyonlar başladı.

Bu dezavantajlar yavaş yavaş grafitin çeşitli katkı maddeleriyle katkılanmasıyla ortadan kaldırıldı. Modern lityum iyon hücreleri kolayca 4,2 volta kadar şarj edebilir. Doğruluk, hücre başına 0,05 volttur. Artan güvenilirlik ve uzun hizmet ömrünün gerekli olduğu askeri ve endüstriyel uygulamalar için Li─Ion pil grupları vardır. Bu tür piller için, hücre başına maksimum voltaj 3,90 volttur. Biraz daha düşük enerji yoğunluğuna, ancak daha uzun hizmet ömrüne sahiptirler.

1C akımla bir lityum iyon pili şarj ederseniz, tam kapasite setinin süresi 2─3 saat olacaktır. Batarya, voltaj maksimuma çıktığında ve akım şarj işleminin başlangıcında değerin yüzde 3'üne düştüğünde tamamen dolu olarak kabul edilir. Bu, aşağıdaki grafikte görülebilir.

Aşağıdaki grafik, bir Li─Ion pili şarj etme aşamalarını göstermektedir.

Şarj işlemi aşağıdaki adımlardan oluşur:

• Aşama 1. Bu aşamada, maksimum şarj akımı bataryadan geçer. Eşik voltajına ulaşılana kadar devam eder;
• Aşama 2. Akü boyunca sabit bir voltaj olduğunda, şarj akımı yavaş yavaş azalır. Akım başlangıç \u200b\u200bdeğerinin yüzde 3'üne düştüğünde bu aşama durur;
• Aşama 3. Pil depoya konursa, bu aşamada kendi kendine boşalmayı telafi etmek için periyodik bir şarj olur. Yaklaşık 500 saatte bir yapılır.
  Uygulamadan, şarj akımını artırmanın pilin şarj süresini kısaltmadığı bilinmektedir. Akım yükseldikçe voltaj eşik değerine daha hızlı yükselir. Ancak daha sonra ikinci şarj aşaması daha uzun sürer. Bazı şarj cihazları (şarj cihazları) bir Li─Ion pili bir saat içinde şarj edebilir. Bu tür şarj cihazlarında ikinci aşama yoktur, ancak gerçekte bu noktada pil yaklaşık yüzde 70 oranında şarj edilir.

Yavaş şarj ile ilgili olarak, lityum iyon piller için geçerli değildir. Bunun nedeni, bu tür bir pilin yeniden şarj edilirken fazla enerjiyi emememesidir. Jet şarjı, bazı lityum iyonlarının metalik duruma geçişine yol açabilir (değerlik 0).

Kısa bir şarj, kendi kendine deşarjı ve elektrik enerjisi kaybını iyi bir şekilde telafi eder. Üçüncü aşama her 500 saatte bir şarj edilebilir. Kural olarak, pil voltajı hücre başına 4.05 volta düştüğünde gerçekleştirilir. Şarj, voltaj 4,2 volta yükselene kadar gerçekleştirilir.

Lityum iyon pillerin aşırı şarja karşı zayıf direncine dikkat etmek önemlidir. Karbon matrisine (negatif elektrot) aşırı yük beslemesinin bir sonucu olarak, metalik lityum birikmesi başlayabilir. Çok yüksek kimyasal aktiviteye sahiptir ve elektrolit ile etkileşime girer. Sonuç olarak, katotta oksijen salınımı başlar, bu da vücuttaki basınç artışı ve basınçsızlaştırma ile tehdit eder. Bu nedenle, bir Li─Ion hücresini denetleyiciyi atlayarak şarj ederseniz, pil üreticisinin önerdiğinden daha yüksek bir şarj sırasında voltajın yükselmesine izin vermeyin. Sürekli yeniden şarj etme pil ömrünü kısaltacaktır.

Üreticiler, Li-Ion pillerin güvenliğine ciddi önem veriyor. Voltaj izin verilen seviyenin üzerine çıktığında şarj durur. Pil sıcaklığı 90 Celsius'un üzerine çıktığında şarjı kapatmak için bir mekanizma da kurulur. Bazı modern akü modellerinin tasarımlarında mekanik tip anahtar bulunur. Pil yuvası içindeki basınç yükseldiğinde tetiklenir. Elektronik kartın voltaj kontrol mekanizması, kavanozu minimum ve maksimum voltaj için dış dünyadan ayırır.

Korumasız lityum iyon piller vardır. Bunlar manganez içeren modellerdir. Aşırı şarj edildiğinde, bu element lityumun metalleşmesini ve oksijen oluşumunu engellemeye yardımcı olur. Bu nedenle, bu tür pillerde koruma gereksiz hale gelir.

Lityum iyon pillerin saklama ve deşarj özellikleri

Lityum tipi piller oldukça iyi saklanır ve kendi kendine boşalma, saklama koşullarına bağlı olarak yılda sadece% 10-20'dir. Ancak aynı zamanda pil hücrelerinin bozulması kullanılmasa da devam ediyor. Genel olarak, bir lityum iyon pilin tüm elektrik parametreleri, her bir özel durum için farklı olabilir.

Örneğin, boşalma voltajı şarj durumuna, akıma, ortam sıcaklığına, vb. Bağlı olarak değişir. Pil ömrü, deşarj-şarj döngüsünün akımları ve modlarından, sıcaklıktan etkilenir. Li-Ion pillerin ana dezavantajlarından biri, şarj-deşarj moduna duyarlı olmalarıdır, bu yüzden birçok farklı koruma türü sağlarlar.

Aşağıdaki tablolar, lityum iyon pillerin deşarj özelliklerini göstermektedir. Gerilimin deşarj akımına ve ortam sıcaklığına bağımlılığını değerlendirdiler.

Gördüğünüz gibi, deşarj akımındaki bir artışla, kapasite düşüşü önemsizdir. Ancak aynı zamanda çalışma voltajı da önemli ölçüde azalır. 10 santigrat derecenin altındaki sıcaklıklarda da benzer bir tablo görülmektedir. Ayrıca pilin ilk voltaj düşüşüne dikkat etmek önemlidir.

Günümüzde lityum iyon piller en çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Özellikle mobil elektroniklerde (PDA'lar, cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve daha fazlası), elektrikli araçlarda ve benzerlerinde yaygın olarak kullanılırlar. Bu, daha önce yaygın olarak kullanılan nikel-kadmiyum (Ni-Cd) ve nikel-metal hidrit (Ni-MH) pillere kıyasla avantajlarından kaynaklanmaktadır. Ve eğer ikincisi teorik sınırlarına yakınsa, o zaman lityum iyon pil teknolojisi yolun başında.

cihaz

Lityum iyon pillerde alüminyum, negatif elektrot (katot), bakır ise pozitif elektrot (anot) görevi görür. Elektrotlar farklı şekillerde yapılabilir, ancak kural olarak uzun bir torba veya silindir şeklinde bir folyodur.

• Bakır folyo üzerindeki anot materyali ile alüminyum folyo üzerindeki katot materyali, elektrolit emdirilmiş gözenekli bir ayırıcı ile ayrılır.
• Elektrot paketi kapalı bir kutuya yerleştirilir ve anotlar ve katotlar akım toplayıcı terminallerine bağlanır.
• Pil kapağının altında özel cihazlar olabilir. Bir cihaz, bir PTC'ye dirençte artışla yanıt verir. İkinci cihaz, akümülatördeki gazların basıncı izin verilen sınırın üzerine çıktığında pozitif terminal ile katot arasındaki elektrik bağlantısını keser. Bazı durumlarda, gövde, çalışma koşullarının ihlali veya acil durumlarda iç basıncı tahliye eden bir emniyet valfiyle donatılmıştır.
• Operasyonel güvenliği artırmak için bir dizi pil de harici elektronik koruma kullanır. Pilin aşırı ısınmasını, kısa devre yapmasını ve aşırı şarj olmasını önler.
• Yapısal olarak piller prizmatik ve silindirik versiyonlarda üretilmektedir. Negatif elektrotun bağlı olduğu alüminyum veya çelik bir kasaya silindirik akümülatörlerde sarılmış bir ayırıcı ve elektrot paketi yerleştirilir. Pilin artı kutbu izolatörden kapağa çıkar. Prizmatik akümülatörler, dikdörtgen plakaların üst üste dizilmesiyle oluşturulur.

Bu tür lityum iyon piller daha sıkı paketlemeye izin verir, ancak elektrotlar üzerindeki sıkıştırma kuvvetlerini silindirik olanlardan daha zordur. Bir dizi prizmatik pil, eliptik bir spiral şeklinde bükülmüş bir elektrot paketinin bir rulo düzeneğini kullanır.

Pillerin çoğu prizmatik versiyonlarda üretilmektedir, çünkü asıl amaçları dizüstü bilgisayarların ve cep telefonlarının çalışmasını sağlamaktır. Li-ion pillerin tasarımı tamamen mühürlenmiştir. Bu gereklilik, sıvı elektrolit sızıntısının kabul edilemezliği ile belirlenir. Su buharı veya oksijen içeri girerse, elektrolit ve elektrot malzemeleriyle bir reaksiyon meydana gelir ve bu da pilin tamamen tahrip olmasına yol açar.

Çalışma prensibi

• Lityum iyon piller, aralarında bir elektrolit bulunan bir anot ve bir katot şeklinde iki elektrot içerir. Anotta pil kapalı bir devreye bağlandığında, serbest elektron oluşumuna yol açan kimyasal bir reaksiyon oluşur.
• Bu elektronlar, konsantrasyonlarının daha düşük olduğu katoda ulaşma eğilimindedir. Bununla birlikte, elektrotlar arasında bulunan elektrolitleri, onları anottan katoda giden direkt yoldan uzak tutar. Pilin kapalı olduğu devreden geriye tek bir yol kaldı. Bu durumda, belirtilen devre boyunca hareket eden elektronlar cihaza enerji sağlar.
• Kaçan elektronların bıraktığı pozitif yüklü lityum iyonları, aynı zamanda katot tarafındaki elektron talebini karşılamak için elektrolit yoluyla katoda yönlendirilir.
• Tüm elektronlar katoda hareket ettikten sonra pil “ölümü” meydana gelir. Ancak lityum iyon pil yeniden şarj edilebilir, bu da işlemin tersine çevrilebileceği anlamına gelir.

Bir şarj cihazı yardımıyla devreye enerji enjekte edilebilir ve böylece ters yönde bir reaksiyon tetiklenebilir. Sonuç, anotta bir elektron birikimi olacaktır. Pili yeniden şarj ettikten sonra, etkinleştirildiği ana kadar büyük ölçüde bu şekilde kalacaktır. Ancak zamanla, pil bekleme modunda bile şarjının bir kısmını kaybeder.

• Pil kapasitesi, kraterlere ve anot veya katottaki küçük gözeneklere gömülebilen lityum iyon miktarını ifade eder. Zamanla, çok sayıda yeniden şarjdan sonra katot ve anot bozulur. Sonuç olarak, barındırabilecekleri iyonların sayısı azalır. Bu durumda, pil artık aynı miktarda şarj tutamaz. Sonunda işlevini tamamen kaybeder.

Lityum iyon piller, şarjlarının sürekli izlenmesini gerektirecek şekilde tasarlanmıştır. Bu amaçla, kasaya özel bir kart takılır, buna şarj kontrolörü denir. Kart üzerindeki bir çip, pilin şarj sürecini kontrol eder.

Standart pil şarjı aşağıdaki gibidir:

• Şarj işleminin başlangıcında, kontrolör nominalin% 10'u kadar bir akım sağlar. Şu anda voltaj 2,8 V'a yükseliyor.
• Ardından şarj akımı nominal değere yükseltilir. Bu süre zarfında, sabit akımdaki voltaj 4,2 V'a yükselir.
• Şarj işleminin sonunda, akü% 100 şarj oluncaya kadar akım 4,2 V'luk sabit bir voltajda düşer.

Evreleme, farklı denetleyicilerin kullanımına bağlı olarak farklılık gösterebilir, bu da farklı şarj oranlarına ve buna bağlı olarak pilin toplam maliyetine yol açar. Lityum iyon piller korumasız olabilir, yani denetleyici şarj cihazında veya yerleşik korumayla, yani denetleyici pilin içinde bulunur. Koruma kartının doğrudan bataryanın içine yerleştirildiği cihazlar olabilir.

Çeşitler ve uygulama

Lityum iyon piller için iki form faktörü vardır:

1. Silindirik lityum iyon piller.
2. Hücresel lityum iyon piller.

Elektrokimyasal lityum iyon sisteminin farklı alt türleri, kullanılan aktif maddenin türüne göre adlandırılır. Tüm bu lityum iyon pillerin ortak özelliği, tümünün kapalı, bakım gerektirmeyen piller olmasıdır.

En yaygın 6 lityum iyon pil türü şunlardır:

1. Lityum kobalt pil ... Yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle dijital kameralar, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları için popüler bir çözümdür. Pil, bir kobalt oksit katot ve bir grafit anottan oluşur. Lityum-kobalt pillerin dezavantajları: sınırlı yük kapasitesi, zayıf termal kararlılık ve nispeten kısa hizmet ömrü.

Kullanım alanları ; mobil elektronik.

1. Lityum manganez pil ... Kristalin lityum-manganez spinelin katodu, üç boyutlu bir çerçeve yapısı ile ayırt edilir. Spinel düşük direnç sağlar, ancak kobalttan daha ılımlı bir enerji yoğunluğuna sahiptir.

Kullanım alanları; elektrik güç üniteleri, tıbbi ekipman, elektrikli aletler.

1. Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit Pil ... Pil katodu kobalt, manganez ve nikeli birleştirir. Nikel, yüksek özgül enerji içeriği, ancak düşük kararlılığı ile ünlüdür. Manganez düşük iç direnç sağlar, ancak düşük özgül enerji içeriği ile sonuçlanır. Metallerin kombinasyonu, zayıf yönlerini telafi etmenize ve güçlerinden yararlanmanıza olanak tanır.

Kullanım alanları; özel ve endüstriyel kullanım için (güvenlik sistemleri, güneş enerjisi santralleri, acil aydınlatma, telekomünikasyon, elektrikli arabalar, elektrikli bisikletler vb.).

1. Lityum Demir Fosfat Pil ... Başlıca avantajları şunlardır: uzun hizmet ömrü, yüksek amperaj oranları, yanlış kullanıma karşı direnç, artırılmış güvenlik ve iyi termal kararlılık. Ancak böyle bir pilin kapasitesi küçüktür.

Uygulamalar; dayanıklılık ve yüksek yük akımlarının gerekli olduğu sabit ve taşınabilir özel cihazlar.

1. Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksit Pil ... Başlıca avantajları: yüksek enerji yoğunluğu ve enerji yoğunluğu göstergeleri, dayanıklılık. Ancak güvenlik performansı ve yüksek maliyeti, kullanımını sınırlar.

Kullanım alanları; elektrikli aktarma organları, endüstri ve tıbbi ekipman.

1. Lityum titanat pil ... Başlıca avantajları şunlardır: hızlı şarj, uzun servis ömrü, geniş sıcaklık aralığı, mükemmel performans ve güvenlik. En güvenli Li-ion pildir.

Ancak maliyeti yüksek ve özgül enerji tüketimi düşüktür. Şu anda üretim maliyetini düşürmek ve özgül enerji yoğunluğunu artırmak için gelişmeler devam ediyor.

Kullanım alanları; otomobillerin dış, elektrik güç üniteleri (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), UPS.

Tipik özellikler

Genel olarak, lityum iyon piller aşağıdaki tipik özelliklere sahiptir:

• Minimum voltaj 2,2-2,5V'den az değildir.
• Maksimum voltaj 4,25-4,35V'den yüksek değildir.
• Şarj süresi: 2-4 saat.
• Oda sıcaklığında kendi kendine deşarj - yılda yaklaşık% 7.
• -20 ° C ile +60 ° C arası çalışma sıcaklığı aralığı
• % 20 kapasite kaybına ulaşılana kadar şarj / deşarj döngülerinin sayısı 500-1000'dir.

Avantajlar ve dezavantajlar

Avantajlar şunları içerir:

• Nikel alkalin pillere kıyasla yüksek enerji yoğunluğu.
• Bir pil hücresinin yeterince yüksek voltajı.
• Kolay kullanım sağlayan "hafıza etkisi" eksikliği.
• Önemli sayıda şarj-deşarj döngüsü.
• Uzun servis ömrü.
• Tutarlı performans için geniş sıcaklık aralığı.
• Göreceli çevre güvenliği.

Dezavantajlar arasında:

• Orta derecede deşarj akımı.
• Nispeten hızlı yaşlanma.
• Nispeten yüksek maliyet.
• Yerleşik bir denetleyici olmadan çalışmanın imkansızlığı.
• Yüksek yüklerde ve çok derin deşarjda kendiliğinden yanma olasılığı.
• Mükemmelliğe getirilmediğinden tasarım önemli iyileştirmeler gerektirir.

Lityum-iyon piller, nikel-metal hidrit benzerleri kadar seçici değildir, ancak yine de biraz bakım gerektirirler. Bağlılık beş basit kural, yalnızca lityum iyon şarj edilebilir pillerin ömrünü uzatmakla kalmaz, aynı zamanda mobil cihazların çalışma süresini de şarj etmeden artırabilirsiniz.

Tam deşarj olmasına izin vermeyin. Lityum iyon piller sözde hafıza etkisine sahip değildir, bu nedenle sıfıra deşarj beklemeden şarj edilebilirler ve ayrıca şarj edilmeleri gerekir. Birçok üretici, lityum iyon pilin ömrünü bir dizi tam deşarj döngüsü olarak hesaplar (% 0'a kadar). Kaliteli piller için bu 400-600 döngü... Li-ion pilinizin ömrünü uzatmak için telefonunuzu daha sık şarj edin. Optimal olarak, pil şarjı yüzde 10-20 işaretinin altına düşer düşmez telefonu şarj edebilirsiniz. Bu, boşaltma döngülerinin sayısını artıracaktır. 1000-1100 .
Uzmanlar bu süreci Deşarj Derinliği gibi bir gösterge ile tanımlıyor. Telefonunuz% 20'ye kadar boşalmışsa, Deşarj Derinliği% 80'dir. Aşağıdaki tablo, bir lityum iyon pilin boşalma döngüsü sayısı ile Deşarj Derinliği arasındaki ilişkiyi göstermektedir:

Her 3 ayda bir boşaltın. Uzun süreli tam şarj, lityum iyon piller için sürekli olarak sıfıra deşarj olmak kadar zararlıdır.
Son derece dengesiz şarj işlemi nedeniyle (genellikle telefonu gerektiği gibi ve çalıştığı yerde, USB'den, prizden, harici bir bataryadan vb.), Uzmanlar bataryayı 3 ayda bir tamamen boşaltmanızı ve ardından şarj etmenizi tavsiye ediyor. % 100'e kadar ve 8-12 saat şarjda tutuyor. Bu, yüksek ve düşük pil şarjı işaretlerini sıfırlamaya yardımcı olur. Bununla ilgili daha fazlasını okuyabilirsiniz.

Kısmen şarj edilmiş mağaza... Bir Li-ion pilin uzun süreli saklanması için en iyi koşul, 15 ° C'de yüzde 30 ila 50 şarjdır. Pil tamamen şarj edilmiş olarak bırakılırsa, kapasitesi zaman içinde önemli ölçüde azalacaktır. Ancak uzun süredir sıfıra boşaltılan rafta toz biriktiren pil, büyük olasılıkla artık bir kiracı değil - geri dönüşüme gönderme zamanı.
Aşağıdaki tablo, 1 yıl saklandığında saklama sıcaklığına ve şarj seviyesine bağlı olarak bir lityum iyon pilde ne kadar kapasite kaldığını gösterir.

Orijinal şarj cihazını kullanın. Çok az kişi, şarj cihazının doğrudan mobil cihazlara yerleştirildiğini ve harici bir güç adaptörünün yalnızca voltajı düşürdüğünü ve ev güç kaynağının akımını düzelttiğini, yani pili doğrudan etkilemediğini bilir. Dijital kameralar gibi bazı aygıtların yerleşik bir şarj cihazı yoktur ve bu nedenle lityum iyon pilleri harici bir "şarj cihazına" takılır. Bu, orijinal yerine şüpheli kalitede harici bir şarj cihazının kullanılmasının pilin performansını olumsuz etkileyebileceği yerdir.

Aşırı ısıtmayın. Eh, lityum iyon pillerin en kötü düşmanı yüksek sıcaklıktır - aşırı ısınmaya hiç dayanamazlar. Bu nedenle, mobil cihazları doğrudan güneş ışığına maruz bırakmayın veya elektrikli ısıtıcılar gibi ısı kaynaklarının hemen yakınında bırakmayın. Lityum iyon pillerin kullanılabileceği izin verilen maksimum sıcaklıklar: –40 ° C ile + 50 ° C arası

Ayrıca görebilirsiniz

Lityum piller veya akümülatörler hakkında konuştuklarında, çoğu zaman son birkaç yıl içinde neredeyse bir düzine pilin ortaya çıktığını bile fark etmezler; bunların her biri, sonuçta birbirinden önemli ölçüde farklı olan diğer kimyasal elementlerin çeşitli katkı maddeleri içeren lityumdur. .

Türlerini anlayalım ve klasiklerle başlayalım:

Lityum iyon piller, lityum iyonlarının deşarj sırasında negatif elektrottan pozitif elektrota ve şarj sırasında tekrar hareket ettiği klasik şarj edilebilir pillerdir. Lityum iyon piller, tüketici elektroniğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. En iyi enerji yoğunluğu, hafıza etkisi yok ve kullanılmadığında yavaş şarj kaybı (düşük kendi kendine deşarj) ile taşınabilir elektronikler için en popüler şarj edilebilir pil türlerinden biridir.

Bu seri, silindirik ve prizmatik pil boyutlarını kapsar. Li-ion, eski tip piller arasında en yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Çok hafifliği ve uzun çevrim ömrü, onu birçok uygulama için ideal bir ürün haline getirmektedir.

Lityum titanat (lityum titanat), nispeten yeni bir lityum iyon pil sınıfıdır - (devamı). Binlerce döngü ile ölçülen çok uzun bir yaşam döngüsü ile karakterizedir. Lityum kurşun titanat da çok güvenlidir ve bu bakımdan demir fosfat ile karşılaştırılabilir. Diğer lityum iyon güç kaynaklarından daha düşük enerji yoğunluğu ve nominal voltajı 2,4 V'tur.

Bu teknoloji çok hızlı şarj, düşük iç direnç, çok yüksek çevrim ömrü ve mükemmel dayanıklılık (aynı zamanda güvenlik) özelliklerine sahiptir. LTO, kullanımını ağırlıklı olarak elektrikli araçlarda ve kol saatlerinde buldu. Son zamanlarda yüksek güvenliği nedeniyle mobil tıbbi cihazlarda uygulama bulmaya başlamıştır. Teknolojinin bir özelliği de anotta karbon yerine nanokristaller kullanması ve bu da çok daha verimli bir yüzey alanı sağlamasıdır. Ne yazık ki, bu pil diğer lityum pil türlerinden daha düşük voltajlara sahiptir.

Özellikleri:

• Özgül enerji: yaklaşık 30-110Wh / kg
• Enerji yoğunluğu: 177 W * h / l
• Özgül güç: 3.000-5.100 W / kg
• Deşarj verimliliği: yaklaşık% 85; % 95'in üzerinde şarj verimliliği
• Enerji fiyatı: 0,5W / dolar
• Raf ömrü:\u003e 10 yıl
• Kendi kendine deşarj:% 2-5 / ay
• Dayanıklılık: 6000 döngü ile% 90 kapasite
• Anma gerilimi: 1,9 - 2,4 V
• Sıcaklık: -40 ila + 55 ° C
• Şarj yöntemi: Sabit bir sabit akım kullanın, ardından eşiğe ulaşıncaya kadar sabit voltaj kullanın.

Kimyasal formül: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2< > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (E \u003d 2,1V)

Lityum polimer, Li-ion pillere göre ağırlık olarak daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Çok ince hücrelerde (5 mm'ye kadar), lityum polimer yüksek bir yığın enerji yoğunluğu sağlar. Mükemmel aşırı gerilim ve yüksek sıcaklık kararlılığı.

Bu pil serisi 30 ile 23000 mAh aralığında prizmatik ve silindirik tiplerde üretilebilmektedir. Lityum polimer piller bir dizi avantaj sunar: hacimce daha yüksek enerji yoğunluğu, hücre boyutlarında esneklik ve yüksek sıcaklıklarda bile mükemmel voltaj kararlılığı ile daha geniş bir güvenlik marjı. Ana uygulamalar: taşınabilir oynatıcılar, Bluetooth, kablosuz cihazlar, PDA'lar ve dijital kameralar, elektrikli bisikletler, GPS navigatörleri, dizüstü bilgisayarlar, e-kitaplar.

Özellikleri:

• Anma gerilimi: 3.7V
• Şarj gerilimi: 4.2 ± 0.05V
• Şarj akımı, hız: 0.2-10C
• Deşarj sınır voltajı: 2.5V
• Deşarj oranı: 50C'ye kadar
• Döngülerde dayanıklılık: 400 döngü

Lityum demir fosfat, iyi güvenlik özelliklerine, uzun hizmet ömrüne (2000 çevrime kadar) ve düşük üretim maliyetine sahiptir. LiFePO4 piller, askeri ekipman, elektrikli aletler, e-bisikletler, mobil bilgisayarlar, UPS ve güneş enerjisi sistemleri gibi yüksek deşarj akımları için çok uygundur.

Lityum iyon piller için yeni bir anot malzemesi olarak lifepo4 ilk olarak 1997'de piyasaya sürüldü ve bugüne kadar sürekli olarak iyileştirildi. Sağlam güvenliği, dayanıklılığı, geri dönüştürüldüğünde düşük çevresel etkisi ve uygun şarj ve deşarj özellikleriyle uzmanların dikkatini çekmiştir. Birçok uzman, lifepo4 pillerin kendi kendine çalışan elektronik cihazlar için açık ara en iyi seçenek olduğunu iddia ediyor.

Lityum Sülfür Dioksit (Li ve SO2 pil) - Bu piller yüksek enerji yoğunluğuna ve yüksek güç boşalmasına karşı iyi bir dirence sahiptir. Bu tür unsurlar çoğunlukla askeri, meteoroloji ve astronotikte kullanılmaktadır.

Lityum metal anotlu (tüm metallerin en hafif olanı) lityum sülfür dioksit piller ve sülfür dioksit (SO2) ile doldurulmuş gözenekli bir karbon toplayıcı içeren bir sıvı katotlu lityum sülfür dioksit piller 2,9 V sağlar ve silindir şeklindedir.

Özellikleri:

• Deşarjın çoğu için kararlı yüksek çalışma voltajı
• Son derece düşük kendi kendine deşarj
• Aşırı koşullarda performans
• Geniş çalışma sıcaklığı aralığı (-55 ° C ila + 65 ° C)

Lityum-mangan dioksit (Li-MnO2 pil) - bu piller, aşındırıcı olmayan, toksik olmayan bir organik elektrolit içine daldırılmış hafif bir metal lityum anot ve katı bir mangan dioksit katodu içerir. Bu tip pil, AB RoHS uyumludur ve büyük kapasite, yüksek deşarj kapasitesi ve uzun kullanım ömrüne sahiptir.

Li-MnO2, yedek güç kaynaklarında, acil durum işaretlerinde, yangın alarmlarında, elektronik erişim kontrol sistemlerinde, dijital kameralarda, tıbbi ekipmanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Özellikleri:

• Yüksek enerji yoğunluğu
• Çok kararlı deşarj voltajı
• 10 yıldan fazla raf ömrü
• Çalışma sıcaklığı: -40 ila + 60 ° С

Lityum tiyonil klorür (lityum-SOCl2) piller, hafif metal bir lityum anot ve tiyonil klorür (SOCl2) ile doldurulmuş gözenekli bir karbon akım toplayıcı içeren bir sıvı katoda sahiptir. Li-SOCL2 pil, otomotiv, tıp ve askeri ve havacılık uygulamaları için idealdir. -60 ila + 150 ° C arasında en geniş çalışma sıcaklığı aralığına sahiptirler.

Özellikleri:

• Yüksek enerji yoğunluğu
• Uzun raf ömrü
• Geniş sıcaklık aralığı
• İyi sızdırmazlık
• Kararlı deşarj gerilimi

Li-FeS2 piller

Li-FeS2 piller ve piller, lityum demir disülfür anlamına gelir. Onlar hakkında bilgiler daha sonra eklenecektir.

Lityum, en modern piller arasında özel bir yere sahiptir. Lityum, kimyadaki en aktif metaldir.

Çok büyük bir enerji depolama kaynağına sahiptir. 1 kg lityum 3860 amper-saat depolama kapasitesine sahiptir. İyi bilinen çinko, çok geride kalıyor. Bu rakam 820 amper-saattir.

Lityum hücreler 3,7V'a kadar voltaj üretebilir. Ancak laboratuvar numuneleri yaklaşık 4,5V'luk bir voltaj üretebilir.

Modern lityum pillerde saf lityum kullanılmaz.

Yaygın olarak kullanılan 3 tip lityum pil vardır:

Lityum iyon ( Li-ion). Anma gerilimi (U nom.) - 3.6V;

Lityum polimer ( Li-Po, Li-polimer veya "lipo"). U numarası. - 3.7V;

Lityum demir fosfat ( Li-Fe veya LFP ). U numarası. - 3.3V.

Tüm bu tür lityum piller, katot veya elektrolit malzemesinde farklılık gösterir. Li-ion, lityum kobaltat katot kullanır LiCoO 2Li-Po bir jel polimer elektrolit kullanır ve Li-Fe bir lityum ferro-fosfat katot kullanır LiFePO 4.

Herhangi bir lityum pil (veya çalıştığı cihaz) küçük bir elektronik devre ile donatılmıştır - bir şarj / deşarj denetleyicisi. Lityum piller aşırı şarj ve derin deşarja karşı çok hassas olduğundan, bu gereklidir. Bir cep telefonundan herhangi bir lityum pili "seçerseniz", içinde küçük bir elektronik devre bulabilirsiniz - bu, koruyucu denetleyicidir ( Koruma IC ).

Lityum pilde yerleşik bir denetleyici (veya şarj gözetmeni) yoksa, böyle bir pil korumasız olarak adlandırılır. Bu durumda, kontrolör, böyle bir batarya ile çalıştırılan cihaza yerleştirilmiştir ve şarj işlemi yalnızca cihazdan veya özel bir şarj cihazından mümkündür.

Fotoğraf korumasız bir Li-Po pil gösteriyor Turnigy 2200 mAh 3C 25C Lipo Paketi... Bu pil, her biri 3,7V'luk seri halinde 3 hücreden (3C - 3 hücre) oluşur ve bu nedenle bir dengeleme konektörüne sahiptir. Sürekli deşarj akımı 25C'ye ulaşabilir, yani 25 * 2200 mA \u003d 55000 mA \u003d 55 A! Kısa süreli deşarj akımı (10 saniye) - 35C!

Seri olarak birden fazla hücre olan lityum piller, dengeleyici ile donatılmış gelişmiş bir şarj cihazı gerektirir. Bu tür bir işlevsellik, örneğin Turnigy Accucell 6 ve IMAX B6 gibi evrensel şarj cihazlarında uygulanır.

Dengeleyici, kompozit bir lityum pilin şarj edilmesi sırasında tek tek hücrelerdeki voltajı eşitlemek için gereklidir. Hücreler arasındaki farklılıklar nedeniyle bazıları daha hızlı, bazıları daha yavaş şarj olabilir. Bu nedenle, özel bir şarj akımı şöntleme devresi kullanılır.

11.1V LiPo pilin dengeleme ve güç kablosu bu kablolamaya sahiptir.

Bildiğiniz gibi, bir lityum pil hücresini (özellikle Li-Polimer) 4.2V üzerinde aşırı şarj etmek bir patlamaya veya kendiliğinden yanmaya neden olabilir. Bu nedenle, şarj sırasında voltajı kontrol etmek gerekir. her hücrede bileşik pil pili!

Lityum pillerin uygun şekilde şarj edilmesi.

Lityum piller (Li-ion, Li-Po, Li-Fe) şarj edilir cC / CV yöntemi ile ("Sabit akım / sabit voltaj"). Yöntem, ilk başta, eleman üzerindeki voltaj düşük olduğunda, belirli bir değerde sabit bir akımla şarj edilmesinden oluşur. Hücre voltajına ulaşıldığında (örneğin, pilin türüne bağlı olarak 4,2 V'a kadar), şarj kontrol cihazı boyunca sabit bir voltaj sağlar.

İlk aşama lityum pil şarjı - CC - geri bildirim yoluyla uygulanır. Kontrolör, şarj akımı kesinlikle sabit olacak şekilde hücre boyunca voltajı seçer.

Şarj etmenin ilk aşamasında, lityum pil gücün çoğunu depolar (% 60 - 80).

İkinci aşama şarj etmek - Özgeçmiş - Hücre üzerindeki voltaj belirli bir eşik seviyesine ulaştığında başlar (örneğin, 4,2V). Bundan sonra, kontrolör eleman üzerinde sabit bir voltaj sağlar ve ona ihtiyaç duyduğu akımı verir. Şarjın sonunda akım 30 - 10 mA değerine düşer. Bu akımla hücrenin şarjlı olduğu kabul edilir.

İkinci aşamada pil, gücün kalan% 40 - 20'sini biriktirir.

Bir lityum pil üzerindeki eşik voltajının aşılmasının aşırı aşırı ısınma ve hatta bir patlama ile dolu olduğu unutulmamalıdır!

Lityum pilleri şarj ederken yanmaz bir çantaya koymanızı öneririz. Bu, özellikle özel kutusu olmayan piller için geçerlidir. Örneğin, radyo kontrollü modellerde kullanılanlar (otomobil, uçak modelleme).

Lityum İyon Pillerin Dezavantajları

Lityum bazlı pillerin ana ve en korkutucu dezavantajı, çalışma voltajı aşıldığında, aşırı ısındığında, yanlış şarj edildiğinde ve okuma yazma bilmeyen kullanımda bunlara yangın tehlikesi derdim. Özellikle lityum polimer (Li-Polimer) piller hakkında çok fazla şikayet var. Bununla birlikte, lityum demir fosfat (Li-Fe) pillerin böyle bir olumsuz özelliği yoktur - yanmazdırlar.

Ayrıca lityum piller soğuktan çok korkar - kapasitelerini hızla kaybeder ve şarjı durdururlar. Bu, Li-ion ve Li-Po piller için geçerlidir. Lityum Demir Fosfat (Li-Fe) piller donmaya karşı daha dayanıklıdır. Aslında bu Li-Fe pillerin olumlu özelliklerinden biridir.

Lityum pillerin dezavantajı, özel bir şarj kontrol cihazı - elektronik bir devre gerektirmeleridir. Ve kompozit pil ve dengeleyici durumunda.

Derin deşarj ile lityum piller orijinal özelliklerini kaybeder. Li-ion ve Li-Po piller özellikle derin deşarjdan korkar. Restorasyondan sonra bile, böyle bir pilin kapasitesi daha düşük olacaktır.

Lityum pil uzun bir süre "çalışmazsa", o zaman ilk başta üzerindeki voltaj eşik seviyesine (genellikle 3.2-3.3V) düşecektir. Elektronik devre pil hücresinin bağlantısını tamamen kesecek ve ardından derin deşarj başlayacaktır. Hücredeki voltaj 2,5V'a düşerse, bu, arızasına yol açabilir.

Bu nedenle, uzun süre kullanılmadığında dizüstü bilgisayarların, cep telefonlarının, mp3 çalarların pillerini zaman zaman yeniden şarj etmeye değer.

Normal bir lityum pilin kullanım ömrü 3 ila 5 yıldır. 3 yıl sonra pil kapasitesi oldukça belirgin bir şekilde azalmaya başlar.