Dizüstü bilgisayar, telefon veya oynatıcı gibi çoğu modern elektronik cihaz, otonom güç kaynakları olarak işlev gören lityum iyon pillerle donatılmıştır. Bu iyon piller nispeten yakın zamanda geliştirildi, ancak özellikleri nedeniyle tasarımcılar ve gadget üreticileri arasında büyük popülerlik kazandılar. Artık çeşitli ev aletlerine ek olarak, dekorasyon ve onarım için birçok alet, tornavida veya kesme makinesi bu tür güç kaynakları ile donatılmıştır. Bu makale, lityum iyon pillerin türlerini, kapsamlarını ve çalışma prensiplerini tartışmaktadır.

Lityum iyon pil türleri

Tek bir lityum iyon ünitesinde birleştirilebilen, enerjiyi depolamak ve tüketilen cihaza boşaltmak prensibi ile çalışan birkaç tür şarj edilebilir pil vardır. Bu piller şunları içerir:

1. Lityum kobalt pil. Böyle bir cihaz, bir grafit anot ve kobalt oksitten yapılmış bir katottan oluşur. Katot, parçalar arasında boşluklar bulunan bir plaka yapısına sahiptir, bu nedenle güç tüketildiğinde, anottan plakalara lityum iyonları verilir, bir elektromanyetik reaksiyon meydana gelir ve terminallere voltaj uygulanır. Böyle bir sistemin dezavantajı, mekanizmanın sıcaklık değişimlerine karşı zayıf direncidir, çünkü negatif değerlerle pil, tüketiciye bağlı olmasa bile boşalır. Ürünün şarj edilmesi sırasında akımın yönü değişir ve lityum iyonları katotlardan anotlara girer, birikir ve voltaj yükselir. Şarj cihazını, nominal voltajı parça değerinden daha yüksek olan bir aküye bağlamak kesinlikle yasaktır, aksi takdirde akü aşırı ısınabilir, plakalar erir ve kasa çatlar;
2. Lityum manganez pil. Ayrıca, çalışma ortamı üç boyutlu çapraz şekilli tüneller şeklinde manganez spinelden yapılmış lityum iyon piller için de geçerlidir. Kobalt sisteminin aksine, bu tip baz, lityum iyonlarının anottan katoda ve ayrıca cihaz kontaklarına engelsiz geçişini sağlar. Lityum-iyon manganez pillerin ana avantajı, düşük malzeme direncidir, bu nedenle genellikle hibrit araçlarda, güce aç aletlerde veya bağımsız tıbbi ekipmanlarda kullanılırlar. 80 dereceye kadar şarj sırasında pilin ısınmasına izin verilir ve nominal akım 20-30 Amper'e kadar çıkabilir. Aküye voltajı 50A'den yüksek bir akımla iki saniyeden uzun süre etki edilmesi önerilmez, aksi takdirde spineller aşırı ısınabilir ve arızalanabilir;

1. Demir fosfat katotlu lityum iyon piller. Nispeten yüksek üretim maliyeti nedeniyle böyle bir pil nadirdir, nihai fiyatı diğer lityum iyon pillerden biraz daha yüksektir. Fosfat katodunun büyük bir avantajı vardır: benzer cihazlardan önemli ölçüde üstün olan, ürünün hizmet ömrü ve yeniden şarj etme sıklığıdır. Çoğu zaman, bu pillerin 10 ila 50 yıl veya yaklaşık 500 şarj döngüsü garantisi vardır. Bu özelliklerinden dolayı demir fosfat piller endüstride yüksek çıkış voltajı elde edilmesi gerektiğinde sıklıkla kullanılmaktadır;
2. Lityum nikel manganez kobalt oksit iyon piller. Bu, katod üretimi için malzemelerin bir kombinasyonu olan bitmiş ürünün üretim maliyeti ve güvenilirliği açısından en pratik olanıdır. Listelenen maddelerin elektrokimyasal özelliklerinden dolayı, bunlardan yapılan katot düşük direnç değerlerine sahiptir, bu nedenle pilin uzun boşta kalma süresi boyunca deşarj minimum olacaktır. Ayrıca cam veya katot hücrenin boyutunu büyüterek pilin toplam kapasitesini veya voltajı artırabilirsiniz. İşin sırrı, doğru bir şekilde birleştirildiğinde yüksek elektrokimyasal özelliklere sahip bir zincir oluşturan manganez ve nikel kombinasyonunda yatmaktadır;
3. Lityum titanat pil. 80'lerin başında geliştirilen, grafit çekirdekli iyon pillerin aksine, bu cihazın katodu lityum titanat nanokristallerden yapılmıştır. Bu malzemeden yapılan katot, pili kısa sürede şarj etmenizi ve sıfır dirençle voltajı korumanızı sağlar. Bu ünite genellikle otonom sokak aydınlatma sistemlerinde, kısa sürede enerji biriktirmek ve uzun süre tüketiciye vermek gerektiğinde kullanılır. Böyle bir sistemin dezavantajı, bitmiş pilin nispeten yüksek maliyetidir, ancak parçanın artan ömrü nedeniyle hızlı bir şekilde karşılığını verir.

Önemli! Listelenen tüm lityum iyon piller servis edilemez pillerdir, bu nedenle hasar veya arıza durumunda elektrolit eklemek için onarım veya servis çalışması yapmak mümkün olmayacaktır. Pil kapağını açmak için yapılacak herhangi bir manipülasyon, pil plakalarının tahrip olmasına ve tamamen arızalanmasına yol açacaktır.

Lityum iyon pillerin çalışma prensibi

Tüm lityum iyon piller, parçanın çalışma prensibini etkilemeyen birkaç küçük farklılığa sahip olan benzer bir yapıya sahiptir. Dış kabuk, çok nadir görülen kompozit malzemeden, plastik veya ince demir dışı metalden yapılmıştır. Çoğu zaman, pil plastik bir kasadan, tüketici ile temas için metal terminallerden ve pozitif ve negatif voltajlı dahili çubuklardan oluşur. Dahili lityum, sabit bir akıma sahip harici bir cihaz bağlanarak şarj edilir, ancak her ürün, anot ve katot arasındaki kimyasal reaksiyon nedeniyle oluşan bir birincil şarja sahiptir.

Doğal puf grafit görünümüne sahip karbonlu malzemeden yapılmış negatif elektrot üzerindeki işlemler rastgeledir, elektrik yüklü atomlar voltaj kaybetmeden matris boyunca hareket eder. Bu sektördeki tüm göstergeler olumsuz.

Bir lityum pilin pozitif elektrotu, yalnızca kobalt veya nikel oksitlerden ve ayrıca lityum manganez spinellerden yapılır. Deşarj sırasında, lityum iyonları karbon çekirdeğinden uzaklaşır ve oksijenle reaksiyona girerek katoda nüfuz eder ve dışarı çıkar, ancak pilin gövdesini terk edemezler. Yüklü lityum iyonları voltajlarını kaybeder ve lityum şarj olana kadar anot yüzeyinde kalır. Şarj sırasında, tüm süreç ters sırada gerçekleşir.

Li-ion pil tasarımı

Alkalin pil olarak, lityum pil silindir şeklinde üretilir veya prizmatik bir şekle sahip olabilir. Silindirik bir pilde, bir rulo haline getirilmiş elektrotlar çekirdek olarak kullanılır, özel bir kılıfla yalıtılır ve negatif yüklü elemanlara bağlı metal bir kasaya yerleştirilir. Polariteyi korumak için, negatif kontak altta bulunur ve pozitif kontak parçanın üstünde bulunur ve bu elemanlar birbirine temas etmemelidir, aksi takdirde akım iletken boyunca dolaşacak ve bu da kendiliğinden boşalmaya yol açacaktır. .

Bir lityum iyon pilin prizmatik şekli oldukça yaygındır. Bu tasarımda çekirdek, aralarında minimum mesafe bulunan özel plakaların üst üste katlanmasıyla oluşturulmuştur. Böyle bir sistem daha yüksek teknik performans sağlar, ancak piller şarj edilirken plakaların sıkı oturması nedeniyle, çekirdeğin aşırı ısınması ve ızgaranın erimesi mümkündür, bu da parçanın üretkenliğinde bir azalmaya yol açar.

Bir rulo halinde bükülmüş elektrotlar oval bir silindir haline getirildiğinde, bir lityum iyon pil cihazı için birleşik bir sistem bulmak nadir değildir. Aynı zamanda, yumuşak geçiş kuralları gözlenir ve aynı zamanda düz bölüm, katmanlı bir şekli taklit eder. Bu tür piller, her iki ürün türünün de özelliklerine sahiptir, kullanım ömürleri çok daha yüksektir.

Pilin kimyasal reaksiyonu ve çalışması sırasında kasa içerisinde zararlı maddeler içeren gazlar oluşur. Bu buharların hızlı bir şekilde uzaklaştırılması için, lityum iyon pillerde, bankalarla bağlantısı olan ve zamanla biriken gazı pil boşluğundan uzaklaştıran bir çıkış bulunmaktadır. Bazı yüksek güçlü piller, kritik bir buhar birikimi sırasında çalışan özel bir valf ile donatılmıştır.

Li-ion pil kontrolü

Pilin içindeki lityum şarjlarının periyodik olarak kontrol edilmesi gerekir, ancak belirtilen pilin hizmet dışı olduğu düşünülmesine rağmen, kasası kapalı olduğu için pilin yine de özel bir cihaz kullanılarak kontrol edilmesi gerekir.

Muayene her zaman, parçanın gövdesinde çatlak ve deformasyon olup olmadığının kontrol edildiği harici bir muayene ile başlar. Akü terminalleri de kontrol edilir, oksidasyon ve diğer kirleticilerden temizlenir.

Önemli! Pili temiz tutmak, kontaklar arasındaki temaslardan kaçınmak gerekir, çünkü bu, pilin tamamen boşalmasına neden olabileceğinden, geri yüklemek çok sorunlu olacaktır.

Çekirdeğin iç durumunu kontrol etmek için, terminallere bağlanan ve ağdaki anma gerilimini ölçen bir yük fişi kullanılır. Ardından aküye bir deşarj uygulanır ve cihaz, akımı parçanın içinde tutmak için göstergeleri okur. Test sırasında pilin tamamen şarj edilmesi gerektiğini dikkate almak önemlidir, aksi takdirde okumalar yanlış olacaktır.

Lityum iyon pillerin uygulamaları

Lityum iyon piller, konfigürasyonlarına, şekillerine ve voltaj derecelerine bağlı olarak birçok uygulamada kullanılmaktadır. Akülerin en yaygın kullanımı otomotiv endüstrisindedir, her aracın, aracı çalıştırmaktan ve diğer işlevleri yerine getirmekten sorumlu olan kendi güç kaynağı vardır.

Bu piller ayrıca mobil cihazlarda, dizüstü bilgisayarlarda ve diğer cihazlarda kullanılır. Bu tür pillerin cihazı, otomobil pillerine benzer, tek fark, bir kibrit kutusu boyutunda olabilen ürünlerin boyutlarıdır.

Son zamanlarda, lityum iyon pillerin evdeki kesintisiz güç sistemlerine ve pilin merkezi ağa kalıcı olarak bağlı olduğu acil durum elektrik kaynakları olarak kullanılması popüler hale geldi. Cihazların basit bir elektrik santralinden çalışması sırasında pil şarj olur ve elektrik kesildiğinde otomatik olarak tüketiciye akım vermeye başlar. Bu durumda, şarj edilebilir pil uygun şekilde yerleştirilmeli ve aşırı ısınmaya karşı koruma sistemleri ile donatılmalıdır.

Video

Lityum iyon piller modern cep telefonlarında, dizüstü bilgisayarlarda, tabletlerde kullanılmaktadır. Yavaş yavaş, taşınabilir elektronik pazarından alkalin pilleri zorla çıkardılar. Daha önce, bu cihazların tümü nikel-kadmiyum ve nikel-metal hidrit piller kullanıyordu. Ancak Li─Ion pillerin daha iyi performansa sahip olması nedeniyle günleri sona erdi. Doğru, alkali olanları her bakımdan değiştiremezler. Örneğin nikel-kadmiyum pillerin üretebileceği akımlar onlar için ulaşılmazdır. Akıllı telefonların ve tabletlerin gücü için bu kritik değildir. Ancak çok fazla akım tüketen taşınabilir elektrikli el aletleri alanında alkalin piller halen kullanılmaktadır. Ancak kadmiyum içermeyen yüksek deşarj akımlı pillerin geliştirilmesi çalışmaları devam etmektedir. Bugün lityum iyon piller, tasarımı, çalışması ve geliştirme beklentileri hakkında konuşacağız.

Lityum anotlu ilk pil hücreleri, geçen yüzyılın yetmişli yıllarında üretildi. Yüksek bir spesifik enerji yoğunluğuna sahiptiler ve bu da onları hemen talep etti. Uzmanlar uzun süredir yüksek aktiviteye sahip bir alkali metal kaynağı geliştirmeye çalışıyorlar. Bu sayede bu tip pillerin yüksek voltajı ve özgül enerjisi elde edilmiştir. Aynı zamanda, bu tür elemanların tasarımının geliştirilmesi oldukça hızlı bir şekilde gerçekleştirildi, ancak pratik kullanımları zorluklara neden oldu. Sadece geçen yüzyılın 90'larında başa çıkmayı başardılar.

Bu 20 yıl boyunca araştırmacılar, asıl sorunun lityum elektrot olduğu sonucuna vardılar. Bu metal çok aktiftir ve çalışma sırasında, sonunda tutuşmaya yol açan bir dizi işlem gerçekleşti. Buna alev havalandırması adı verildi. Bu nedenle 90'lı yılların başında üreticiler cep telefonları için üretilen pilleri geri çağırmak zorunda kaldılar.

Bir dizi kazadan sonra oldu. Görüşme anında aküden tüketilen akım maksimuma ulaştı ve alevin püskürmesiyle havalandırma başladı. Sonuç olarak, kullanıcılar tarafından birçok yüz yanığı vakası olmuştur. Bu nedenle, bilim adamları lityum iyon pillerin tasarımını iyileştirmek zorunda kaldılar.

Lityum metal, özellikle şarj ve deşarj olurken son derece kararsızdır. Bu nedenle araştırmacılar, lityum kullanmadan lityum tipi bir pil oluşturmaya başladılar. Bu alkali metalin iyonları kullanılmaya başlandı. İsimleri buradan geldi.

Lityum-iyon pillerin özgül enerjisi daha düşüktür. Ancak, şarj ve deşarj normlarına uyulursa güvenlidirler.

Li─Ion pilde gerçekleşen reaksiyonlar

Tüketici elektroniğinde lityum iyon pillerin tanıtılması 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. Basılı kobalt oksidin potansiyeli yaklaşık 4 volttur.

Çoğu lityum iyon pilin çalışma voltajı 3 volt veya daha fazladır. Negatif elektrottaki deşarj sırasında, lityum karbondan ayrıştırılır ve pozitif elektrotun kobalt oksitine eklenir. Şarj işlemi sırasında işlemler tersten gerçekleşir. Sistemde metal lityum olmadığı, ancak iyonlarının bir elektrottan diğerine hareket ederek bir elektrik akımı oluşturduğu ortaya çıktı.

Negatif elektrottaki reaksiyonlar

Tüm modern ticari lityum iyon pil modelleri, karbon içeren malzemeden yapılmış bir negatif elektrota sahiptir. Lityumun karbona karışmasının karmaşık süreci, elektrolit maddesinin yanı sıra büyük ölçüde bu malzemenin doğasına bağlıdır. Anot üzerindeki karbon matrisi katmanlı bir yapıya sahiptir. Yapı sıralı (doğal veya sentetik grafit) veya kısmen sıralı (kok, kurum vb.) olabilir.

İnterkalasyon sırasında, lityum iyonları karbon katmanlarını birbirinden ayırarak aralarına nüfuz eder. Çeşitli interkalatlar elde edilir. Ara katlama ve deinterkalasyon sırasında, karbon matrisinin özgül hacmi önemsiz ölçüde değişir. Negatif elektrotta karbon malzemeye ek olarak gümüş, kalay ve bunların alaşımları kullanılabilir. Ayrıca silikon, kalay sülfürler, kobalt bileşikleri vb. içeren kompozit malzemeler kullanmaya çalışırlar.

Pozitif elektrottaki reaksiyonlar

Birincil lityum hücrelerde (piller), pozitif elektrot yapmak için genellikle çeşitli malzemeler kullanılır. Pillerde bu yapılamaz ve malzeme seçimi sınırlıdır. Bu nedenle, bir Li─Ion pilin pozitif elektrotu, lityumlu nikel veya kobalt oksitten yapılır. Lityum-manganez spinelleri de kullanılabilir.

Günümüzde, katot için karışık fosfatlardan veya oksitlerden elde edilen malzemeler üzerinde çalışmalar devam etmektedir. Uzmanların kanıtlamayı başardığı gibi, bu tür malzemeler lityum iyon pillerin elektriksel özelliklerini iyileştiriyor. Katot yüzeyinde oksit biriktirme yöntemleri de geliştirilmektedir.

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

pozitif elektrot

LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe -

negatif elektrot

C + xLi + + xe - → CLi x

Deşarj işlemi sırasında reaksiyonlar ters yönde ilerler.

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

Lityum-iyon pil cihazı

Tasarımlarına göre Li─Ion piller silindirik ve prizmatik tasarımlarda yapılır. Silindirik tasarım, elektrotları ayırmak için ayırıcı malzemeye sahip bir elektrot rulosudur. Bu rulo, alüminyum veya çelik bir kasaya yerleştirilmiştir. Negatif elektrot ona bağlanır.

Pozitif kontak, pilin ucunda bir ped şeklinde görüntülenir.

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

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

Ayrıca Li-Ion pillerde çalışma güvenliğini artırmak için elektronik kart zorunludur. Amacı, aşırı ısınma ve kısa devreleri hariç tutmak için şarj ve deşarj süreçlerini kontrol etmektir.

Birçok prizmatik lityum iyon pil artık üretiliyor. Akıllı telefonlarda ve tabletlerde uygulama buluyorlar. Prizmatik pillerin tasarımı, tek bir birleşime sahip olmadığı için genellikle üreticiden üreticiye farklılık gösterebilir. Zıt kutuplu elektrotlar bir ayırıcı ile ayrılır. Üretimi için gözenekli polipropilen kullanılır.

Li-Ion ve diğer lityum pil türlerinin tasarımı her zaman sızdırmazdır. Elektrolit sızıntısına izin verilmediğinden bu zorunlu bir gerekliliktir. Dışarı sızarsa, elektronikler zarar görür. Ayrıca sızdırmaz tasarım, su ve oksijenin aküye girmesini önler. İçeri girerlerse elektrolit ve elektrotlarla reaksiyon sonucu pili tahrip ederler. Lityum pil bileşenlerinin üretimi ve montajı argon atmosferinde özel kuru kutularda gerçekleştirilir. Bu durumda, karmaşık kaynak, sızdırmazlık vb. Yöntemleri kullanılır.

Bir Li-Ion pilin aktif kütlesine gelince, üreticiler burada her zaman bir uzlaşma ararlar. Maksimum kapasiteye ulaşmaları ve çalışma güvenliğini sağlamaları gerekir. İlişki şunlara dayanmaktadır:

A o / A n \u003d 1.1, burada

A o, negatif elektrotun aktif kütlesidir;

Ve p, pozitif elektrotun aktif kütlesidir.

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

Li-Ion pillerin parametreleri

Günümüzde üretilen lityum iyon piller, yüksek özgül enerji yoğunluğuna 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 kapasiteye sahip piller üretemiyorlardı. Artık bu yönde gelişmeyi engelleyen sorunlar ortadan kalkmıştır. Böylece, satışta birkaç yüz amper-saat kapasiteli lityum tipi piller bulunmaya başladı.

Modern Li─Ion pillerin deşarj akımı 2C ile 20C arasındadır. -20 ila +60 Santigrat arasındaki ortam sıcaklıkları aralığında çalışırlar. -40 Santigratta verimli modeller var. Ancak, özel seri pillerin negatif sıcaklıklarda çalıştığını hemen söylemeye değer. Cep telefonları için sıradan lityum iyon piller, düşük sıcaklıklarda çalışmaz hale gelir.

Bu tip pillerin kendi kendine boşalması ilk ayda yüzde 4-6'dır. Ayrıca, azalır ve yılda bir yüzdeye tekabül eder. Bu, nikel-kadmiyum ve nikel-metal hidrit pillerinkinden önemli ölçüde daha azdır. Servis ömrü yaklaşık 400-500 şarj-deşarj döngüsüdür.

Şimdi lityum iyon pillerin çalışma özelliklerinden bahsedelim.

Lityum iyon pillerin çalıştırılması

Li─Ion pilleri şarj etme

Lityum iyon pillerin şarjı genellikle birleştirilir. İlk olarak, 4,1-4,2 voltluk bir voltaj elde edene kadar 0,2-1C sabit akımda şarj edilirler. Ve sonra şarj sabit bir voltajda gerçekleştirilir. İlk adım yaklaşık bir saat, ikincisi yaklaşık iki saat sürer. Pili daha hızlı şarj etmek için darbe modunu kullanın. Başlangıçta, grafitli Li─Ion piller üretildi ve onlar için hücre başına 4,1 volt voltaj sınırı belirlendi. Gerçek şu ki, hücrede daha yüksek bir voltajda, bu pillerin ömrünü azaltan yan reaksiyonlar başladı.

Yavaş yavaş, bu dezavantajlar, grafitin çeşitli katkı maddeleri ile alaşımlanmasıyla ortadan kaldırıldı. Modern lityum iyon hücreler 4,2 volta kadar sorunsuz şarj eder. Hata, hücre başına 0,05 volttur. Daha fazla güvenilirlik ve uzun hizmet ömrü gerektiren askeri ve endüstriyel sektörler için Li─Ion pil grupları bulunmaktadır. Bu tür piller için hücre başına maksimum voltaj 3,90 volttur. Biraz daha düşük bir enerji yoğunluğuna sahiptirler, ancak daha uzun bir hizmet ömrüne sahiptirler.

1C'lik bir akımla bir lityum iyon pili şarj ederseniz, tam kapasite setinin süresi 2-3 saat olacaktır. Akü, şarj işleminin başlangıcında voltaj maksimuma yükseldiğinde ve akım değerin yüzde 3'üne düştüğünde tam şarjlı 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 aküden maksimum şarj akımı geçer. Eşik voltajına ulaşılana kadar devam eder;
• Aşama 2. Sabit bir akü voltajı ile şarj akımı yavaş yavaş azalır. Akım başlangıç ​​değerinin yüzde 3'üne düştüğünde bu aşama sonlandırılır;
• Aşama 3. Pil depolamaya alınırsa, bu aşamada kendi kendine deşarjı telafi etmek için periyodik bir şarj olur. Yaklaşık her 500 saatte bir yapılır.
  Uygulamadan, şarj akımını artırmanın pil şarj süresini azaltmadığı bilinmektedir. Akım arttıkça, voltaj eşik değerine daha hızlı yükselir. Ancak daha sonra şarjın ikinci aşaması daha uzun sürer. Bazı şarj cihazları (şarj cihazları), bir Li─Ion pili bir saatte şarj edebilir. Böyle bir bellekte ikinci bir aşama yoktur, ancak gerçekte bu noktada pil yüzde 70 oranında bir yerde şarj olur.

Jet şarjına gelince, lityum iyon piller için geçerli değildir. Bunun nedeni, bu tip pilin şarj olurken fazla enerjiyi emememesidir. Jet şarjı, bazı lityum iyonlarının metalik duruma (değer 0) geçişine yol açabilir.

Kısa bir şarj, kendi kendine deşarjı ve elektrik enerjisi kaybını iyi bir şekilde telafi eder. Üçüncü aşamada şarj her 500 saatte bir yapılabilir. Kural olarak, bir elemanda akü voltajı 4.05 volta düştüğünde gerçekleştirilir. Şarj, voltaj 4,2 volta yükselene kadar gerçekleştirilir.

Lityum iyon pillerin aşırı şarja karşı zayıf direncini belirtmekte fayda var. Karbon matrisine (negatif elektrot) aşırı yük uygulanmasının bir sonucu olarak, lityum metalinin birikmesi başlayabilir. Çok yüksek bir kimyasal aktiviteye sahiptir ve elektrolit ile etkileşime girer. Sonuç olarak, katotta oksijen çıkışı başlar, bu da kasadaki basıncı artırmak ve basıncı azaltmakla tehdit eder. Bu nedenle, denetleyiciyi atlayarak bir Li─Ion hücresini şarj ediyorsanız, pil üreticisi tarafından önerilenden daha yüksek şarj olurken voltajın yükselmesine izin vermeyin. Pili sürekli şarj ederseniz ömrü kısalır.

Üreticiler, Li-Ion pillerin güvenliğine ciddi şekilde dikkat ediyor. Voltaj izin verilen seviyenin üzerine çıktığında şarj durur. Pil sıcaklığı 90 santigrat derecenin üzerine çıktığında şarjı kapatmak için bir mekanizma da kurulur. Bazı modern pil modellerinin tasarımlarında mekanik tip anahtar bulunur. Pil kutusunun içindeki basıncın artmasıyla tetiklenir. Elektronik kartın voltaj kontrol mekanizması, minimum ve maksimum voltaj ile kavanozu dış dünyadan ayırır.

Korumasız lityum iyon piller var. Bunlar bileşiminde manganez içeren modellerdir. Bu element, aşırı yüklendiğinde, lityum metalizasyonunun inhibisyonuna ve oksijen salınımına katkıda bulunur. Bu nedenle, bu tür pillerde koruma gereksiz hale gelir.

Lityum iyon pillerin depolama ve deşarj özellikleri

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

Örneğin, deşarj sırasındaki voltaj, şarj derecesine, akıma, ortam sıcaklığına vb. bağlı olarak değişir. Pil ömrü, deşarj-şarj döngüsünün akımlarından ve modlarından, sıcaklıktan etkilenir. Li-Ion pillerin ana dezavantajlarından biri, şarj-deşarj moduna duyarlılıklarıdır, bu nedenle birçok farklı koruma türü sağlarlar.

Aşağıdaki grafikler, lityum iyon pillerin deşarj özelliklerini göstermektedir. Gerilimin deşarj akımına ve ortam sıcaklığına bağımlılığını dikkate alırlar.

Görüldüğü gibi deşarj akımı arttıkça kapasitans düşüşü önemsizdir. Ancak aynı zamanda, çalışma voltajı belirgin şekilde azalır. Benzer bir tablo, 10 santigrat derecenin altındaki sıcaklıklarda gözlenir. Ayrıca pilin ilk voltaj düşüşünü de belirtmekte fayda var.

• Tercüme

Pil ölümü: Hepimiz bunun olduğunu gördük. Telefonlarda, dizüstü bilgisayarlarda, kameralarda ve şimdi elektrikli arabalarda süreç acı verici ve - eğer şanslıysanız - yavaş. Yıllar geçtikçe, bir zamanlar cihazlarınızı saatlerce (hatta günlerce!) çalıştıran lityum iyon pil, şarj tutma özelliğini yavaş yavaş kaybeder. Sonunda, anlaşmaya varacaksınız, belki Steve Jobs'a küfredeceksiniz ve ardından yeni bir pil, hatta yeni bir cihaz satın alacaksınız.

Ama bu neden oluyor? Son nefesini vermesine neden olan bir pilde ne olur? Kısa cevap, yüksek sıcaklıklara uzun süre maruz kalma ve çok sayıda şarj ve deşarj döngüsünden kaynaklanan hasar nedeniyle, lityum iyonlarının elektrotlar arasındaki hareketi sonunda bozulmaya başlar.

İstenmeyen kimyasal reaksiyonlar, korozyon, yüksek sıcaklık tehdidi ve performansı etkileyen diğer faktörlerin tanımına götürecek daha ayrıntılı bir cevap, her şey iyi çalıştığında lityum iyon pillerde neler olduğuna dair bir açıklama ile başlar.

Lityum iyon pillere giriş

Tipik bir lityum iyon pilde, lityum kobalt oksit gibi lityum oksitlerinden yapılmış bir katot (veya negatif elektrot) bulacağız. Bugün genellikle grafitten yapılmış bir anot veya pozitif elektrot da bulacağız. İnce bir gözenekli ayırıcı, kısa devreleri önlemek için iki elektrotu ayrı tutar. Ve lityum iyonlarının hücre içinde hareket etmesine izin veren, organik çözücülerden yapılmış ve lityum tuzlarına dayalı bir elektrolit.

Şarj sırasında, bir elektrik akımı lityum iyonlarını katottan anoda taşır. Boşalma sırasında (başka bir deyişle, bir pil kullanırken), iyonlar katoda doğru geri hareket eder.

Argonne Ulusal Laboratuvarı'nda lityum iyon hücrelerin bozunması üzerine bilimsel araştırmalar yürüten bilim adamı Daniel Abraham, bu süreci bir hidroelektrik sistemdeki suyla karşılaştırdı. Yukarı hareket eden su enerji gerektirir, ancak çok kolay akar. Aslında, kinetik enerji sağlıyor, diyor Abraham, benzer şekilde, katottaki lityum-kobalt oksit "lityumundan vazgeçmek istemiyor". Yukarı doğru hareket eden su gibi, lityum atomlarını oksitten anoda taşımak için enerji gereklidir.

Şarj sırasında iyonlar, anodu oluşturan grafit tabakaları arasına yerleştirilir. Ama İbrahim'in dediği gibi, su yokuş aşağı akarken "orada olmak istemiyorlar, ilk fırsatta geri dönecekler". Bu deşarj. Uzun ömürlü bir pil, bu tür binlerce şarj-deşarj döngüsüne dayanacaktır.

Biten bir pil ne zaman gerçekten ölür?

"Bitmiş" bir pil hakkında konuştuğumuzda, iki performans ölçütünü anlamak önemlidir: enerji ve güç. Bazı durumlarda pilden enerji çekme hızı çok önemlidir. Bu güç. Elektrikli araçlarda yüksek güç, akünün birkaç saniye içinde şarj edilmesini gerektiren frenlemenin yanı sıra ani hızlanmayı da mümkün kılıyor.

Öte yandan cep telefonlarında yüksek güç, kapasiteden veya bir pilin tutabileceği güç miktarından daha az önemlidir. Yüksek kapasiteli piller, tek bir şarjla daha uzun süre dayanır.

Bir pil zamanla, hem kapasiteyi hem de gücü etkileyebilecek çeşitli şekillerde bozulur ve sonunda temel işlevleri yerine getiremez hale gelir.

Bunu başka bir su benzetmesinde düşünün: Pili şarj etmek, bir kovayı musluk suyuyla doldurmak gibidir. Kovanın hacmi, pilin kapasitesini veya kapasitesini temsil eder. Musluğu tam güçte veya azar azar çevirerek doldurabileceğiniz hız, güçtür. Ancak zaman, yüksek sıcaklıklar, çoklu döngüler ve diğer faktörler sonunda kovada bir delik oluşturacaktır.

Kova benzetmesinde su sızar. Abraham, bir pilde lityum iyonlarının çıkarıldığını veya "bağlandığını" söylüyor. Sonuç olarak, elektrotlar arasında hareket etme yeteneklerini kaybederler. Yani birkaç ay sonra, başlangıçta birkaç günde bir şarj edilmesi gereken bir cep telefonunun artık her gün şarj edilmesi gerekiyor. Sonra günde iki kez. Sonunda, çok fazla lityum iyonu "bağlanacak" ve pil herhangi bir yararlı şarj tutmayacaktır. Kova su tutmayı bırakacaktır.

Ne kırılır ve neden

Katodun aktif kısmı (pildeki lityum iyon kaynağı), kararlılık ve performans sağlamak için belirli bir atomik yapı ile tasarlanmıştır. İyonlar anoda gittiklerinde ve sonra katoda geri döndüklerinde, ideal olarak kararlı bir kristal yapıyı sürdürmek için orijinal yerlerine dönmelerini istersiniz.

Sorun, kristal yapının her şarj ve deşarjla değişebilmesidir. A dairesinden gelen iyonlar mutlaka eve dönmezler, ancak yan taraftaki daire B'ye taşınabilirler. Sonra B dairesinden gelen iyon bu serseri tarafından işgal edilen yerini bulur ve yüzleşmeden koridora yerleşmeye karar verir. Ve benzeri.

Yavaş yavaş, maddedeki bu "faz geçişleri", katodu farklı elektrokimyasal özelliklere sahip bir kristalin yeni bir kristal yapısına dönüştürür. Başlangıçta gerekli performansı sağlayan atomların tam düzeni değişir.

Abraham, yalnızca araç hızlandığında veya fren yaptığında güç sağlamak için ihtiyaç duyulan hibrit araç akülerinde bu yapısal değişikliklerin elektrikli araçlara göre çok daha yavaş gerçekleştiğini belirtiyor. Bunun nedeni, her döngüde sistemde yalnızca küçük bir lityum iyonu fraksiyonunun hareket etmesidir. Sonuç olarak, orijinal konumlarına dönmeleri daha kolaydır.

korozyon sorunu

Pilin diğer bölümlerinde de bozulma olabilir. Her elektrot, esasen bir metal parçası olan (genellikle anot için bakır, katot için alüminyum) olan ve elektronları toplayan ve onları harici bir devreye taşıyan bir akım toplayıcıya bağlıdır. Dolayısıyla, lityum kobalt oksit (bir seramiktir ve çok iyi bir iletken değildir) gibi "aktif" bir malzemeden yapılmış bir kilimiz ve bir metal parçasına uygulanan tutkal benzeri bir bağlayıcı malzememiz var.

Bağlama malzemesi tahrip olursa, bu, akım toplayıcının yüzeyinin "soyulmasına" yol açar. Metal paslanırsa elektronları verimli bir şekilde hareket ettiremez.

Bir pildeki korozyon, elektrolit ve elektrotlar arasındaki etkileşimden kaynaklanabilir. Grafit anot, "ışık salma"dır, yani. elektrolite kolayca elektron "verir". Bu, grafit yüzeyinde istenmeyen bir kaplamaya yol açabilir. Bu arada katot oldukça "oksitlenebilir", yani elektrolitten elektronları kolayca kabul eder, bu da bazı durumlarda akım toplayıcının alüminyumunu aşındırabilir veya katodun parçaları üzerinde bir kaplama oluşturabilir, diyor Abraham.

çok fazla iyi

Anot yapımında yaygın olarak kullanılan bir malzeme olan grafit, organik elektrolitlerde termodinamik olarak kararsızdır. Bu, pilimizin ilk şarjından itibaren grafitin elektrolit ile reaksiyona girdiği anlamına gelir. Bu, nihayetinde anodu daha fazla saldırıdan koruyan gözenekli bir katman (katı elektrolit arayüzü veya SEI olarak adlandırılır) oluşturur. Bu reaksiyon ayrıca az miktarda lityum tüketir. İdeal bir dünyada, bu reaksiyon koruyucu bir tabaka oluşturmak için bir kez gerçekleşir ve bu onun sonu olur.

Ancak gerçekte TEI oldukça istikrarsız bir savunmacıdır. Abraham, grafiti oda sıcaklığında iyi koruduğunu söylüyor, ancak yüksek sıcaklıklarda veya pil sıfıra ("derin deşarj") düştüğünde, EMT elektrolitte kısmen çözülebilir. Yüksek sıcaklıklarda elektrolitler de bozunma eğilimi gösterir ve yan reaksiyonlar hızlanır.

Uygun koşullar geri döndüğünde, başka bir koruyucu katman oluşacaktır, ancak bu, lityumun bir kısmını tüketecek ve sızdıran bir kova ile aynı sorunlara yol açacaktır. Cep telefonumuzu daha sık şarj etmemiz gerekecek.

Yani bir grafit anotu korumak için bir TEI'ye ihtiyacımız var ve bu durumda gerçekten çok fazla iyi olabilir. Koruyucu tabaka çok kalınlaşırsa, serbestçe ileri geri hareket etmesi gereken lityum iyonlarına karşı bir bariyer haline gelir. Bu, Abraham'ın elektrikli araçlar için "son derece önemli" olduğuna işaret ettiği gücü etkiler.

Daha İyi Piller Üretmek

Peki pillerimizin ömrünü uzatmak için neler yapılabilir? Laboratuardaki araştırmacılar, diyetimizdeki vitaminler gibi işlev gören elektrolit takviyeleri arıyorlar. Abraham, elektrotlar ve elektrolit arasındaki zararlı reaksiyonları azaltarak pillerin daha iyi performans göstermesine ve daha uzun süre dayanmasına izin verdiğini söylüyor. Ayrıca elektrotlar için yeni, daha kararlı kristal yapıların yanı sıra daha kararlı bağlayıcılar ve elektrolitler arıyorlar.

Bu arada, pil ve elektrikli otomobil şirketlerindeki mühendisler, lityum iyon pilleri sabit ve sağlıklı bir sıcaklık aralığında tutmak amacıyla muhafazalar ve termal yönetim sistemleri üzerinde çalışıyor. Tüketiciler olarak, aşırı sıcaklıklardan ve derin deşarjlardan kaçınmaya ve her zaman çok çabuk bitiyor gibi görünen piller hakkında söylenmeye devam ediyoruz.

Modern tüketici elektroniğinde yaygın olarak kullanılan ve elektrikli araçlarda bir enerji kaynağı ve enerji sistemlerinde enerji depolama cihazları olarak uygulama alanı bulan. Cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, elektrikli araçlar, dijital kameralar ve video kameralar gibi cihazlarda en popüler pil türüdür. İlk lityum iyon pil 1991 yılında Sony Corporation tarafından piyasaya sürüldü.

özellikleri

Elektro-kimyasal devreye bağlı olarak, lityum iyon piller aşağıdaki özellikleri gösterir:

• Tek bir hücrenin voltajı 3,6 V'tur.
• Maksimum voltaj 4,2 V, minimum 2,5-3,0 V. Şarj cihazları 4,05-4,2 V aralığında voltajı destekler
• Enerji yoğunluğu : 110 … 230 W*h/kg
• İç direnç : 5 … 15 mOhm/1Ah
• %20 kapasite kaybından önceki şarj/deşarj döngüsü sayısı: 1000-5000
• Hızlı şarj süresi: 15 dak - 1 saat
• Oda sıcaklığında kendi kendine deşarj: Ayda %3
• Kapasitansa (C) göre yük akımı:
  • sabit - 65C'ye kadar, darbeli - 500C'ye kadar
  • en kabul edilebilir: 1C'ye kadar
• Çalışma sıcaklığı aralığı: -0 ... +60 °C (düşük sıcaklıklarda piller şarj edilemez)

Cihaz

Bir lityum iyon pil, elektrolit emdirilmiş gözenekli ayırıcılarla ayrılmış elektrotlardan (alüminyum folyo üzerinde katot malzemesi ve bakır folyo üzerinde anot malzemesi) oluşur. Elektrot paketi kapalı bir kutuya yerleştirilir, katotlar ve anotlar akım toplayıcı terminallerine bağlanır. Gövde, acil durumlarda ve çalışma koşullarının ihlali durumunda iç basıncı tahliye eden bir emniyet valfine sahiptir. Lityum iyon piller, kullanılan katot malzemesinin türüne göre farklılık gösterir. Bir lityum iyon pildeki mevcut taşıyıcı, bir kimyasal oluşumu ile diğer malzemelerin kristal kafesine (örneğin, grafit, metal oksitler ve tuzlar) araya girme (araya girme) yeteneğine sahip pozitif yüklü bir lityum iyondur. örneğin: LiC6, oksitler (LiMO 2) ve metallerin tuzları (LiM R O N) oluşumu ile grafit içine. Başlangıçta, negatif plakalar olarak metalik lityum, ardından kömür kok kullanıldı. Daha sonra grafit kullanılmaya başlandı. Yakın zamana kadar, pozitif plakalar olarak kobalt veya manganezli lityum oksitler kullanılıyordu, ancak bunların yerini giderek daha güvenli, ucuz ve toksik olmayan ve çevre dostu bir şekilde atılabilen lityum ferrofosfat alıyor. Lityum iyon piller, bir izleme ve kontrol sistemi - SKU veya BMS (pil yönetim sistemi) ve özel bir şarj / deşarj cihazı içeren bir sette kullanılır. Halihazırda, lityum iyon pillerin seri üretiminde üç sınıf katot malzemesi kullanılmaktadır: - lityum kobaltat LiCoO 2 ve buna izoyapısal lityum nikelat bazlı katı çözeltiler - lityum-manganez spinel LiMn 2 O 4 - lityum ferrofosfat LiFeP04 . Lityum iyon pillerin elektrokimyasal devreleri: lityum-kobalt LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 lityum-ferrofosfat LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

Düşük kendi kendine deşarj ve çok sayıda şarj-deşarj döngüsü nedeniyle Li-ion piller alternatif enerjide kullanım için en çok tercih edilenlerdir. Ayrıca BMS sistemine (SKU) ek olarak invertörler (voltaj dönüştürücüler) ile donatılmıştır.

Avantajlar

• Yüksek enerji yoğunluğu.
• Düşük kendi kendine deşarj.
• Hafıza etkisi yok.
• Bakım gerektirmeyen.

Kusurlar

İlk nesil Li-ion piller patlayıcı etkiye maruz kaldı. Bu, çoklu şarj/deşarj döngüleri sırasında üzerinde uzaysal oluşumların (dendritler) ortaya çıktığı, elektrotların kısa devre yapmasına ve bunun sonucunda yangın veya patlamaya yol açan metalik lityumdan yapılmış bir anot kullanmaları gerçeğiyle açıklandı. Bu sorun nihayet anot malzemesinin grafit ile değiştirilmesiyle çözüldü. Benzer işlemler, çalışma koşulları ihlal edildiğinde (şarj edildiğinde) kobalt oksit bazlı lityum iyon pillerin katotlarında da meydana geldi. Lityum-ferro-fosfat piller bu eksikliklerden tamamen yoksundur. Ek olarak, tüm modern lityum iyon piller, aşırı şarj nedeniyle aşırı şarjı ve aşırı ısınmayı önleyen yerleşik bir elektronik devre ile donatılmıştır.

Kontrolsüz deşarj olan Li-ion pillerin ömrü diğer pil türlerine göre daha kısa olabilir. Lityum iyon piller tamamen boşaldığında, şarj voltajı bağlandığında şarj olma özelliğini kaybeder. Bu sorun, daha yüksek bir voltaj darbesi uygulanarak çözülebilir, ancak bu, lityum iyon pillerin diğer özelliklerini olumsuz yönde etkiler. Bir Li-ion pilin maksimum "ömrü", şarj yukarıdan %95 düzeyinde sınırlandırıldığında ve deşarj %15–20 olduğunda elde edilir. Bu çalışma modu, herhangi bir lityum iyon pille birlikte verilen BMS izleme ve kontrol sistemi (SKU) tarafından desteklenir.

Li-ion piller için en uygun saklama koşulları, pil kapasitesinin %40-70'i düzeyinde ve yaklaşık 5 °C sıcaklıkta şarj edildiğinde elde edilir. Aynı zamanda, düşük sıcaklık, uzun süreli depolama sırasında küçük kapasite kayıpları için daha önemli bir faktördür. Bir lityum iyon pilin ortalama raf ömrü (hizmet ömrü), 24 ila 60 ay arasında değişebilmesine rağmen ortalama 36 aydır.

Depolama kapasitesi kaybı:

sıcaklık	%40 şarj ile	%100 şarjlı
0⁰C	yılda %2	yılda %6
25⁰C	yılda %4	yılda %20
40⁰C	yılda %15	yılda %35
60⁰C	yılda %25	için %40 üç ay

Lityum iyon pillerin depolanması ve çalıştırılması ile ilgili mevcut tüm düzenlemelere göre, uzun süreli depolamayı sağlamak için, her 6-9 ayda bir %70 kapasite seviyesine kadar şarj edilmesi gerekmektedir.

Ayrıca bakınız

Notlar

Edebiyat

• Khrustalev D. A. Akümülatörler. M: Zümrüt, 2003.
• Yuri Filippovsky Mobil yemek. Bölüm 2. (RU). ComputerraLab (26 Mayıs 2009). - Li-ion piller hakkında ayrıntılı makale 26 Mayıs 2009'da erişildi.

Bağlantılar

• GOST 15596-82 Terimler ve tanımlar.
• GOST 61960-2007 Lityum piller ve şarj edilebilir piller
• Lityum-iyon ve lityum-polimer piller. iXBT (2001)
• Yerli üretim lityum iyon piller

Galvanic hücre	Galvanik Daniel hücresi | Alkali eleman | | Kuru element | Konsantrasyon öğesi | Hava-çinko element | Normal Weston öğesi
Elektrikli piller	Kurşun Asit | Gümüş-çinko | Nikel Kadmiyum | Nikel Metal Hidrür | Nikel-çinko pil | li-iyon | Lityum Polimer | Lityum Demir Sülfür | Lityum Demir Fosfat | Lityum Titanat | vanadyum | demir-nikel
yakıt hücreleri	Doğrudan metanol | Katı oksit | alkali
Modeller	Pil | Elektrikli pil | yakıt hücresi
Cihaz

Kategori: Pil Desteği 30.03.2016 23:38 tarihinde yayınlandı

Lityum iyon elektrokimyasal sisteminin farklı alt türleri, aktif maddelerinin türüne göre adlandırılır ve hem tam olarak hem de kısaltılmış bir biçimde kimyasal formüllerle belirtilebilir. Lityum pilleri birleştiren şey, hepsinin atıfta bulunduğu şeydir. mühürlü bakım gerektirmeyen aküler. Bu tür formüller, karmaşıklıkları nedeniyle okumak veya ezberlemek için çok uygun değildir, bu nedenle de basitleştirilmiştir - bir harf kısaltmasına.

Örneğin, lityum iyon piller için en yaygın malzemelerden biri olan lityum kobaltit, LiCoO2 kimyasal formülüne ve LCO kısaltmasına sahiptir. Basitlik nedeniyle, kısa sözlü form "lityum kobalt" da kullanılabilir. Kobalt ana aktif maddedir ve üzerinde pil tipi karakterize edilir. Diğer lityum iyon elektrokimyasal sistem türleri de benzer şekilde kısa bir forma indirgenmiştir. Bu bölüm, en yaygın altı Li-ion türünü listeler.

1. Lityum kobalt pil (LiCoO2)

Yüksek enerji yoğunluğu, lityum kobalt pili cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve dijital kameralar için popüler bir seçim haline getiriyor. Pil, bir grafit anot ve bir kobalt oksit katottan oluşur. Katot katmanlı bir yapıya sahiptir ve deşarj sırasında lityum iyonları anottan ona doğru hareket eder. Şarj olurken yön tersine çevrilir. Lityum-kobalt pillerin dezavantajı nispeten kısa hizmet ömrü, düşük termal kararlılık ve sınırlı yük kapasitesidir (güç yoğunluğu). Şekil 1, böyle bir pilin yapısını göstermektedir.

Şekil 1: Bir lityum-kobalt pilin yapısı. Deşarj sırasında, lityum iyonları şarj olurken anottan katoda hareket eder - katottan anoda.

Lityum-kobalt pil, değerinden daha yüksek bir akımda şarj edilemez veya boşaltılamaz. C dereceli. Bu, 2400 mAh 18650 hücrenin 2400 mA'yı aşmayan bir akımla şarj edilebileceği veya boşaltılabileceği anlamına gelir. Hızlı şarjı zorlamak veya 2400 mA'den fazla gerektiren bir yükü bağlamak aşırı strese ve aşırı ısınmaya neden olur. Hızlı şarj için üreticiler 0,8C veya yaklaşık 2000 mA C sınıfı önerir. Pil koruma sistemini kullanırken, şarjı ve deşarjı otomatik olarak güvenli bir seviyeye sınırlar - yaklaşık 1C.

Şekil 2: Ortalama bir lityum-kobalt pilin değerlendirilmesi. Lityum-kobalt elektrokimyasal sistem, yüksek enerji yoğunluğuyla dikkat çeker, ancak ortalama güç yoğunluğu, güvenlik ve hizmet ömrü sunar.

karakteristik tablo

Lityum kobaltit: LiCoO2 katodu (~60% kobalt), grafit anot Kısaltma: LCO veya Li-kobalt 1991 yılında tasarlandı
Gerilim	3.60 V nominal; standart çalışma aralığı - 3.0-4.2 V
Spesifik enerji yoğunluğu	150-200 W*sa/kg; özel modeller 240 Wh/kg'a kadar sağlar
C dereceli şarj	0.7-1C, şarj voltajı 4.20V (çoğu model); şarj işlemi genellikle 3 saat sürer; 1C'den yüksek şarj akımı pil ömrünü kısaltır
C-derecesi sıralaması	1C; 2,50 V'nin altındaki bir voltajda kesici etkinleştirilir; 1C'nin üzerindeki deşarj akımı pil ömrünü kısaltır
	500-1000, deşarj derinliğine, yüke, sıcaklıklara bağlı olarak
termal bozulma	Genellikle 150°C'de. Tam şarj, termal kaçışı teşvik eder
Kullanım alanları	Cep telefonları, tabletler, dizüstü bilgisayarlar, kameralar
Yorum	Çok yüksek özgül enerji yoğunluğu, sınırlı özgül güç. Kobaltın yüksek maliyeti. Yüksek kapasitenin gerekli olduğu alanlarda hizmet vermektedir. Pazarda istikrarlı bir talep var.

Tablo 3: Lityum kobalt pil özellikleri.

2. Lityum manganez pil (LiMn2O4)

Manganez spinel içeren bir lityum iyon pilin tasarımı ilk olarak 1983 yılında Malzeme Araştırma Bülteni'nde yayınlandı. 1996 yılında Moli Energy, katot malzemesi olarak lityum manganez spinel içeren bir lityum iyon hücresini ticarileştirdi. Spinelin üç boyutlu yapısı, elektrottaki iyon akışını iyileştirir, bu da iç direncin azalmasına ve akımın daha iyi idare edilmesine neden olur. Spinel'in bir diğer avantajı da yüksek termal kararlılığıdır, ancak ömrü ve çevrim sayısı sınırlıdır.

Böyle bir hücrenin düşük iç direnci, hızlı şarj ve olası yüksek deşarj akımı sağlar. 18650 boyutunda, bir lityum manganez pil, orta derecede ısı üretimi ile 20-30 A'lık bir akımla deşarj edilebilir. Ayrıca, bir ila iki saniye boyunca 50 A'ya kadar olan darbelere dayanabilir. 50 A'lık sürekli bir yük, bozulmayı önlemek için 80 ° C'yi geçmemesi gereken pilin ısınmasına yol açacaktır. Lityum-manganez piller, güçlü aletler, tıbbi ekipman ve hibrit ve elektrikli araçlarda kullanılır.

Şekil 4, katot malzemesinin üç boyutlu kristal çerçevesinin bir grafik gösterimidir. Bu malzeme, ilk elmas şeklindeki kafes yapısının üç boyutlu bir yapıya dönüştürüldüğü spineldir.

Şekil 4: Lityum-manganez pilin yapısı. Kristalli lityum-mangan spinel katot, ilk oluşumdan sonra ortaya çıkan üç boyutlu bir iskelet yapısına sahiptir. Spinel düşük direnç sağlar ancak kobalttan daha ılımlı bir enerji yoğunluğuna sahiptir.

Bir lityum-mangan pilin kapasitesi, bir lityum-kobalt pilin kapasitesinden yaklaşık üçte bir oranında daha azdır. Tasarım esnekliği, pili farklı görevler için optimize etmenize ve geliştirilmiş dayanıklılık, güç yoğunluğu veya enerji yoğunluğuna sahip modeller oluşturmanıza olanak tanır. Örneğin, geliştirilmiş güç derecelerine sahip 18650 versiyonu sadece 1100 mAh kapasiteye sahipken, kapasite optimizasyonlu versiyon 1500 mAh kapasiteye sahiptir.

Şekil 5, tipik bir lityum manganez pilin altıgen bir grafiğini göstermektedir. Performans özellikle etkileyici görünmeyebilir, ancak en son gelişmeler güç yoğunluğu, güvenlik ve yaşam beklentisi açısından performansı iyileştirdi.

Şekil 5: Geleneksel bir lityum manganez pilin özellikleri. Orta düzeyde genel performansa rağmen, yeni modeller gelişmiş güç yoğunluğu, güvenlik ve kullanım ömrü gösteriyor.

Çoğu Lityum Manganez pil, enerji yoğunluğunu artırmak ve pil ömrünü uzatmak için Lityum Nikel Manganez Kobalt (NMC) pillerle birleştirilmiştir. Bu birlik, her iki sistemin de güçlü yönlerinden yararlanır ve LMO (NMC) olarak adlandırılır. Nissan Leaf, Chevy Volt ve BMW i3 gibi çoğu elektrikli araçta kullanılan bu kombinasyon pillerdir. LMO, yaklaşık% 30 olan böyle bir pilin bir parçasıdır, elektrik motorunun yüksek hızlanma yeteneklerini sağlar ve NMC kısmı, otonom çalışmanın boyutundan sorumludur.

Lityum-iyon sistemindeki araştırmalar, büyük ölçüde lityum-manganez hücreleri ile nikel-manganez-kobalt hücreleri birleştirmeye yönelmiştir. Bu üç aktif metal, güç yoğunluğu, yük özellikleri veya pil ömründe bir artış olsun, istenen sonucu elde etmek için kolayca birleştirilebilir. Bu geniş yetenek yelpazesi, tek teknoloji yaklaşımını ve kapasitenin önce geldiği tüketici pil pazarını karşılamak için gereklidir; ve iyi yük özelliklerine, uzun hizmet ömrüne ve güvenilir güvenli çalışmaya sahip akü sistemleri gerektiren endüstriler.

karakteristik tablo

Lityum manganez spinel: LiMn2O4 katot, grafit anot Kısaltma: LNO veya Li-manganez (spinel yapısı) 1996 yılında tasarlandı
Gerilim	3.70 V (3.80 V) nominal; standart çalışma aralığı - 3.0-4.2 V
Spesifik enerji yoğunluğu	100-150 W*s/kg
C dereceli şarj	Standart 0.7-1C; 3C maksimum; 4.20V'a kadar şarj etme (çoğu pil)
C-derecesi sıralaması	Standart 1C; 10C'li modeller var; darbe çalışma modu (5 saniyeye kadar) - 50С; 2,50 V'de kesme etkinleştirilir
Şarj/deşarj döngüsü sayısı	300-700 (deşarj derinliğine ve sıcaklığa bağlı olarak)
termal bozulma	Genellikle 250°C'de. Tam şarj, termal kaçışı teşvik eder
Kullanım alanları	Elektrikli aletler, tıbbi ekipman, elektrik güç üniteleri
Yorum	Yüksek güç ancak orta kapasite; lityum-kobalttan daha güvenli; genellikle NMC ile birlikte kullanılır

Tablo 6: Lityum manganez pilin özellikleri.

3. Lityum nikel manganez kobalt oksit pil (LiNiMnCoO2 veya NMC)

Lityum iyon elektrokimyasal sistemin en başarılı uygulamalarından biri, katotta nikel, manganez ve kobalt (NMC) kombinasyonudur. Lityum-manganez sistemlerine benzer şekilde, bu sistemler kapasite veya güç için optimize edilebilir. Örneğin, orta görev 18650 hücresindeki bir NMC pili 2800 mAh kapasiteye sahiptir ve 4-5A akım sağlayabilir; ve aynı boyutta, ancak güç göstergeleri için optimize edilmiş versiyon sadece 2000 mAh kapasiteye sahiptir, ancak maksimum deşarj akımı 20 A'dır. Anotta silikon eklenirse kapasite göstergesi 4000 mAh'ye kadar yükseltilebilir. Ancak öte yandan, bu, böyle bir pilin yük özelliklerini ve dayanıklılığını önemli ölçüde azaltacaktır. Silisyumun bu tür belirsiz özellikleri, pil tasarımının mekanik kararsızlığına yol açan şarj ve deşarj sırasında genişlemesi ve azalması nedeniyle ortaya çıkar.

NMC teknolojisinin sırrı, nikel ve manganezin birleşiminde yatmaktadır. Sıradan sofra tuzu, bileşenleri olan sodyum ve klorun ayrı ayrı çok toksik olduğu, ancak bunların kombinasyonlarının yararlı bir gıda maddesi oluşturduğu bir benzetme görevi görebilir. Nikel, yüksek enerji yoğunluğu, ancak düşük stabilitesi ile bilinir; Manganez ise düşük iç direnç sağlayan bir spinel yapı avantajına sahiptir, ancak aynı zamanda düşük özgül enerji yoğunluğunun dezavantajına da yol açar. Bu metallerin kombinasyonu, birbirlerinin eksikliklerini telafi etmenize ve güçlü yönlerden tam olarak yararlanmanıza olanak tanır.

NMC piller elektrikli el aletleri, elektrikli bisikletler ve diğer güç aktarma organları için kullanılır. Katodun bileşimi, kural olarak, nikel, manganez ve kobaltı eşit parçalarda birleştirir, yani her metal toplam hacmin üçte birini kaplar. Bu dağılım 1-1-1 olarak da bilinir. Bu orandaki kombinasyon, pilin diğer versiyonlarına kıyasla pahalı kobalt içeriği nispeten küçük olduğu için maliyeti açısından avantajlıdır. Bir başka başarılı NMC kombinasyonu 5 kısım nikel, 3 kısım kobalt ve 2 kısım manganez içerir. Bu aktif maddelerin başarılı kombinasyonlarını bulmaya yönelik deneyler halen devam etmektedir. Şekil 7, NMC pilinin özelliklerini göstermektedir.

Şekil 7: NMC pil özelliklerinin değerlendirilmesi. NMC, iyi bir genel performansa ve mükemmel enerji yoğunluğuna sahiptir. Bu pil, elektrikli araçlar için tercih edilen seçimdir ve en düşük kendi kendine ısınma oranına sahiptir.

Son zamanlarda, en popüler hale gelen NMC lityum-iyon pil ailesidir, çünkü aktif maddelerin birleştirilmesi olasılığı sayesinde, iyi performansa sahip ekonomik bir pil tasarlamak mümkün hale gelmiştir. Nikel, manganez ve kobalt, elektrikli araçlar veya düzenli döngü gerektiren enerji depolama sistemleri için çok çeşitli gereksinimleri karşılamak üzere kolayca karıştırılabilir. NMC pil ailesi, çeşitliliği açısından aktif olarak gelişiyor.

karakteristik tablo

Lityum nikel manganez kobalt oksit: LiNiMnCoO2 katot, grafit anot Kısaltma: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN metal kombinasyonuna benzer) 2008 yılında tasarlandı
Gerilim	3.60-3.70 V nominal; standart çalışma aralığı - hücre başına 3,0-4,2 V veya daha yüksek
Spesifik enerji yoğunluğu	150-220 W*sa/kg
C dereceli şarj	0.7-1C, 4.20 V'a kadar şarj, bazı modellerde 4.30 V'a kadar; şarj işlemi genellikle 3 saat sürer; 1C'den yüksek şarj akımı pil ömrünü kısaltır
C-derecesi sıralaması	1C; bazı modeller 2C'yi destekler; 2,50 V'de kesme etkinleştirilir
Şarj/deşarj döngüsü sayısı
termal bozulma	Genellikle 210°C'de. Tam şarj, termal kaçışı teşvik eder
Kullanım alanları	E-bisikletler, tıbbi ekipman, elektrikli arabalar, endüstri
Yorum	Yüksek kapasite ve güç sağlar. Çok çeşitli pratik uygulamalar, pazar payı hızla büyüyor

Tablo 8: Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC) pil özellikleri.

4. Lityum demir fosfat pil (LiFePO4)

1996 yılında, Teksas Üniversitesi'nde araştırma yapıldı ve bunun sonucunda katot için yeni bir malzeme keşfedildi. Lityum iyon batarya- demir fosfat. Lityum fosfat sistemi iyi elektrokimyasal özelliklere ve düşük iç dirence sahiptir. Bu tür pillerin ana avantajları yüksek amper ve uzun hizmet ömrüdür, ayrıca iyi termal stabiliteye, artırılmış güvenlik ve yanlış kullanıma karşı dirence sahiptirler.

Lityum fosfat piller aşırı şarja karşı daha dayanıklıdır; onlara uzun süre yüksek voltaj uygulanırsa, bozulma etkileri diğer lityum iyon pillere kıyasla belirgin şekilde daha az olacaktır. Ancak 3.20 V'luk bir hücre voltajı, özgül enerji yoğunluğunu bir lityum-mangan pilinkinden bile daha düşük bir düzeye düşürür. Çoğu elektrikli pil için, soğuk sıcaklıklar performansı düşürür ve yüksek sıcaklıklar ömrü kısaltır, lityum fosfat sistemi istisna değildir. Ayrıca diğer lityum iyon pillerden daha yüksek kendi kendine deşarj oranına sahiptir. Şekil 9, bir lityum fosfat pilin özelliklerini göstermektedir.

Lityum fosfat piller genellikle marşlı kurşun asit pillerin yerine kullanılır. Böyle bir pilin dört hücresi, altı adet iki voltluk kurşun asit hücresinin voltajına benzer şekilde 12.8 V'luk bir voltaj sağlayacaktır. Aracın alternatörü kurşun asitli aküyü 14,40V'a (hücre başına 2,40V) şarj eder. Dört lityum fosfat hücre için voltaj sınırı 3.60V olacaktır, şarj edildikten sonra kapatılmalıdır, bu geleneksel bir araçta olmaz. Lityum fosfat piller aşırı şarja karşı dayanıklıdır, ancak uzun süre yüksek voltajda tutulduklarında bile bozulurlar. Düşük sıcaklıklar, geleneksel bir marş motorunun yerine lityum fosfat pil kullanıldığında da sorun olabilir.

Şekil 9: Bir lityum fosfat pilin performansının değerlendirilmesi. Lityum fosfat elektrokimyasal sistemi mükemmel güvenlik ve uzun ömür sağlar, ancak enerji yoğunluğu orta düzeydedir ve kendi kendine deşarj yüksektir.

karakteristik tablo

Lityum ferrofosfat: LiFePO4 katot, grafit anot Kısaltma: LFP veya Li-fosfat
Gerilim	3.20, 3.30 V nominal; standart çalışma aralığı - hücre başına 2,5-3,65 V
Spesifik enerji yoğunluğu	90-120 W*sa/kg
C dereceli şarj	1C standardı, 3.65V'a kadar şarj; şarj işlemi genellikle 3 saat sürer
C-derecesi sıralaması	1C; 25C'ye kadar bazı versiyonlarda; 40 A dalgalanma akımları (2 saniyeye kadar); 2,50 V'ta kesme etkinleştirilir (2 V'nin altındaki voltaj zararlıdır)
Şarj/deşarj döngüsü sayısı	1000-2000 (deşarj derinliğine ve sıcaklığa bağlı olarak)
termal bozulma	270°C. Tamamen şarj olduğunda bile güvenli
Kullanım alanları	Yüksek yük akımlarının ve dayanıklılığın gerekli olduğu taşınabilir ve sabit cihazlar