Inovațiile recente în chimia Li-ion au făcut ca tehnologia să fie extrem de competitivă pe piețe sensibile la greutate și inconveniente de nevoia de plumb sigilat de întreținere frecventă.

înlocuiți

Aplicațiile cu cerințe de înaltă tensiune și capacitate mare adoptă tehnologia litiu-ion (Li-ion) datorită densității sale ridicate de energie, dimensiunilor mici și greutății reduse. Utilizarea Li-ion pentru echipamente portabile oferă multe avantaje față de tehnologiile reîncărcabile mai vechi.

Caracteristicile bateriei Li-ion includ o tensiune nominală de 3,6 V, mii de cicluri de funcționare pe viață, timpi de încărcare mai mici de trei ore și o rată de descărcare tipică de aproximativ 10% pe lună atunci când sunt depozitate. FIG. 1 ilustrează faptul că tehnologia Li-ion oferă un avantaj pronunțat de densitate a energiei atât în ​​ceea ce privește volumul, cât și greutatea.

De asemenea, este important să rețineți dimensiunea bulei Li-ion; reprezintă numeroasele arome de Li-ion disponibile pe piață. Caracteristicile specifice ale chimiei fiecărei celule Li-ion - în ceea ce privește tensiunea, ciclurile, curentul de încărcare, densitatea energiei, timpul de încărcare și ratele de descărcare - trebuie înțelese pentru a specifica o celulă adecvată pentru o aplicație.

Din punct de vedere istoric, bateriile sigilate cu plumb acid (SLA) au avut câteva trăsături tehnice superioare, pe lângă costul extrem de scăzut, care le-au menținut în fruntea pieței generale a bateriilor. Se așteaptă ca piețele de baterii Li-ion și SLA să crească în următorii câțiva ani, dar Li-ion va depăși SLA în unele zone.

Sistemele de baterii Li-ion sunt o opțiune bună atunci când cerințele specifică greutate mai mică, densitate de energie mai mare sau tensiune agregată sau un număr mai mare de cicluri de funcționare. Chimia Li-ion convențională, concepută pentru aplicații portabile precum laptopuri și telefoane mobile, este concepută pentru a oferi cea mai mare densitate de energie în funcție de dimensiune și greutate.

De obicei, aceste aplicații nu au cerințe de curent ridicate și sunt relativ sensibile la preț, astfel încât celulele Li-ion convenționale pe bază de Co sunt adecvate pentru aplicații care trebuie să fie mai mici și mai ușoare. Noile chimii Li-ion sunt optimizate în jurul piețelor instrumentelor electrice și ale vehiculelor electrice.

Aceste celule pe bază de fosfat de Fe au un ciclu de viață remarcabil și o capacitate de livrare de curent, dar densitatea lor de energie volumetrică este mai mică, iar costul inițial este mai mare. Acestea sunt mai predispuse la utilizarea directă a unui încărcător SLA și sunt adecvate pentru înlocuirea tehnologiei SLA atunci când costurile totale de proprietate și reducerea greutății sunt obiectivele principale.

Bateriile folosesc o reacție chimică pentru a funcționa și produce o tensiune între bornele de ieșire. Reacția plumbului și oxidului de plumb cu electrolitul acidului sulfuric produce o tensiune într-o baterie de acid plumb.

SLA CONSTRUCTION

O celulă SLA are o placă de plumb și alta de dioxid de plumb, cu un electrolit puternic de acid sulfuric în care sunt scufundate plăcile. Tensiunea caracteristică a creației de sulfat de plumb este de aproximativ 2 V pe celulă, deci prin combinarea a șase celule obțineți o baterie tipică de 12 V.

FIG. 2 este o curbă de descărcare pentru bateriile SLA; observați panta descendentă aproape liniară. Relația dintre timpii de descărcare (în amperi trase) este în mod rezonabil liniară la sarcini reduse. Pe măsură ce sarcina crește, timpul de descărcare suferă, deoarece se pierde o parte din energia bateriei din cauza pierderilor interne. Acest lucru duce la încălzirea bateriei.

Eficiența unei baterii este exprimată în numărul Peukert, care, în esență, reflectă rezistența internă a bateriei. O valoare apropiată de 1 indică o baterie performantă, cu pierderi reduse. Un număr mai mare reflectă o baterie mai puțin eficientă.

Bateriile SLA sunt cel mai stresate dacă sunt descărcate la o sarcină constantă până la punctul de sfârșit de descărcare. O sarcină intermitentă permite un nivel de recuperare a reacției chimice care produce energia electrică. Datorită comportamentului destul de lent, perioada de repaus în repaus este deosebit de importantă pentru acidul cu plumb. Există un avantaj. Avantajul acestei curbe este o măsurare simplă a tensiunii care poate fi utilizată pentru măsurarea combustibilului.

CONSTRUCȚIE Li-ion

Cele trei componente funcționale primare ale unei baterii Li-ion sunt anodul, catodul și electrolitul. Ionii de litiu se deplasează de la electrodul negativ (catod) la electrodul pozitiv (anod) în timpul descărcării și de la catod la anod atunci când sunt încărcați. Pentru fiecare componentă internă a celulei poate fi utilizată o varietate de materiale; cel mai popular material pentru anod este grafitul, dar unii producători folosesc cocs.

În funcție de alegerea materialului pentru anod, catod și electrolit, tensiunea, capacitatea, durata de viață și siguranța unei baterii Li-ion se pot schimba dramatic. Reacția electrochimică produce aproximativ 3,5 V în funcție de chimie și marcă, astfel încât patru celule din serie pot produce o gamă de tensiuni nominale de la 12,8 la 14,8 V.

Electrolitul este o soluție neapoasă a unei sări de litiu. Catodul este în general unul dintre cele trei materiale: un oxid stratificat (cum ar fi oxidul de cobalt), unul bazat pe un polianion (cum ar fi fosfatul de fier) ​​sau un spinel (cum ar fi manganul). Acumulatoarele realizate cu Li-ion nu sunt o simplă configurație a celulelor. Sunt produse atent proiectate, cu multe caracteristici de siguranță. Principalele componente ale unui acumulator includ celulele, care sunt sursa primară de energie; placa PC, care oferă inteligență sistemului; carcasa din plastic; contacte externe; și izolație. Caracteristicile interne ale unui acumulator sunt prezentate în FIG. 3.

ÎNLOCUIRE DIRECTĂ A SLA CU LI-ion

Masa compară pachetele de baterii Li-ion fabricate cu celule tradiționale de chimie a co-oxidului și baterii SLA. Prima coloană prezintă șase baterii SLA în serie și două în paralel. Următoarele două coloane sunt două configurații Li-ion ale celulelor Li-ion 18650: 4S 2P și 3S 6P, concepute pentru a oferi performanțe și durate de rulare similare SLA.

Configurația seriei determină tensiunea, iar celulele paralele determină capacitatea. Duratele de funcționare sunt similare, dar bateriile Li-ion ocupă aproximativ o cincime din volum și aproximativ o pătrime din greutate. Din păcate, pachetele fabricate din chimicale convenționale nu sunt compatibile cu încărcătoarele SLA.

COMPARAREA CHIMIILOR

Este dificil să faceți o comparație directă a bateriilor cu plumb acid și a bateriilor Li-ion. Funcționarea celulelor este atât de fundamental diferită încât înlocuirea directă și compararea sunt dificile.

Durata de rulare SLA este determinată nu numai de capacitate, dar este, de asemenea, foarte dependentă de rată, așa cum se vede în FIG. 2. În plus, bateriile SLA nu pot fi descărcate complet. Tensiunile nu sunt potrivite pentru cele două chimii.

Avantajele noilor produse chimice cu celule Fe-fosfat cu rate ridicate includ siguranță crescută, impedanță scăzută și rate de descărcare ridicate și o tensiune care se potrivește bine cu tehnologia SLA la pași de 12 și 24 V. Aceste caracteristici de proiectare permit utilizarea unui încărcător SLA convențional. În FIG. 4, se poate vedea performanța celulelor A123, un exemplu de celule de mare viteză. Celulele oferă capacitate practic completă la o rată ridicată de 30 A. Aici putem vedea cât de plată este tensiunea de descărcare a unei celule Li-ion, ceea ce reprezintă o provocare pentru măsurarea combustibilului.

Continuați cu pagina următoare

Indicatoarele tradiționale de combustibil pentru Li-ion au monitorizat fie tensiunea, fie capacitatea, iar precizia a fost destul de limitată datorită curbei de descărcare plană pe care am văzut-o mai devreme. Noile indicatoare de gaz monitorizează numărul de coulomb-uri transferate și se calibrează oportunist cu tensiunea în circuit deschis a pachetului Li-ion, permițând utilizatorului final să gestioneze în mod inteligent utilizarea dispozitivului și să evite defecțiunile sau opririle neașteptate.

PROBLEME DE ÎNCĂRCARE

Pentru bateriile Li-ion, curentul constant/tensiunea constantă (CC/CV) este singura metodă de încărcare universal acceptată Li-ion. Un curent constant egal sau mai mic decât rata maximă de încărcare este aplicat bateriei până la atingerea tensiunii maxime de încărcare. În acel moment, modul de funcționare se transformă în tensiune constantă, care este menținută până la îndeplinirea criteriului de terminare a încărcării.

O baterie Li-ion este complet încărcată când s-a atins tensiunea maximă de încărcare și valoarea scăzută a încărcării curente este sub o anumită fracțiune - de obicei 1/30 până la 1/10 - din rata maximă de încărcare a bateriei. Există o șansă foarte bună ca regimul de încărcare SLA deja încorporat în dispozitiv sau platforma de încărcare să nu încarce o baterie Li-ion în timp ce maximizează siguranța, capacitatea bateriei sau ciclul de viață al bateriei.

METODOLOGII DE ÎNCĂRCARE

Există mai multe metodologii de încărcare pentru bateriile SLA. Datorită versatilității chimiei bateriei SLA, electronica de încărcare este simplă și ieftină și există numeroase opțiuni, cum ar fi:

  • Trickle: încărcare la o rată echivalentă cu rata sa de auto-descărcare
  • Plutire: bateria și sarcina sunt conectate permanent în paralel pe sursa de încărcare continuă și menținute la o tensiune constantă
  • Taper: tensiunea constantă sau curentul constant se aplică bateriei printr-o combinație de transformatoare, diode și rezistență. Curentul scade pe măsură ce crește tensiunea celulei
  • Încărcare constantă de tensiune cu limită de curent: metoda de încărcare a tensiunii constante, cu limitare de curent, aplică tensiunea maximă admisă de încărcare, dar are o limită de curent pentru a controla curentul de absorbție inițial.
  • Încărcare trifazată: cea mai avansată metodă de încărcare pentru bateriile SLA. Prima fază este încărcarea în bloc. Când tensiunea presetată a fost atinsă, încărcătorul trece în faza de tensiune constantă și curentul absorbit de baterie va scădea treptat. Faza finală este faza plutitoare.

Atunci când un producător de dispozitive are în vedere migrarea de la SLA la tehnologia bateriei Li-ion, acesta are mai multe opțiuni pentru plasarea dispozitivelor electronice de control al încărcării. Dacă baza de clienți pentru dispozitiv va permite o schimbare cu ridicata cu încărcătorul, cea mai simplă modalitate este de a înlocui complet dispozitivul electronic de încărcare SLA cu dispozitivele electronice de încărcare Li-ion din compartimentul de încărcare.

Noul încărcător Li-ion este compatibil cu bateriile SLA, dar vechiul încărcător SLA nu este compatibil cu noua tehnologie a bateriei Li-ion. Fosfatul de litiu-fier oferă un compromis frumos pentru migrarea de la SLA, deoarece va funcționa cu majoritatea metodelor de încărcare SLA. Excepția notabilă a fosfatului de litiu-fier constă în faptul că o încărcătură necontrolată a scurgerii va supraîncărca celulele.

CONSIDERAȚII FINALE

Este important să alegeți un furnizor de baterii cu experiență în proiectarea, dezvoltarea și fabricarea bateriilor pentru industria dvs. Majoritatea pachetelor de baterii Li-ion sunt personalizate pentru fiecare aplicație.

Pachetele de baterii disponibile pe raft pot fi achiziționate, dar sunt special concepute pentru laptopuri cu volum mare, telefoane mobile, camere și alte produse electronice de larg consum. Echipamentele industriale, medicale și militare folosesc aproape întotdeauna produse Li-ion personalizate.

Bateriile SLA, în schimb, sunt aproape întotdeauna produse disponibile la raft, care au mai multe tensiuni și capacități comune. Acestea pot fi achiziționate de la mai multe mărci în multe locații de vânzare cu amănuntul.

Li-ion este, de asemenea, mai ecologic decât SLA. Europa este lider în aplicarea reglementărilor de mediu, cea mai relevantă legislație fiind Directiva UE privind bateriile, care interzice sau stabilește cantitățile maxime de substanțe chimice și metale în baterii. Necesită o gestionare adecvată a deșeurilor acestor baterii, inclusiv reciclare, colectări, programe de „preluare” și eliminare. În plus, stabilește responsabilitatea financiară pentru programe.

Nu există o lege generală privind reciclarea bateriilor în America de Nord, dar legislația federală impune ca bateriile Ni-Cd și plumb acid utilizate să fie gestionate ca deșeuri universale și 38 de state au interdicții privind eliminarea bateriilor cu plumb, în ​​timp ce Li-ionul poate fi eliminat în mod normal în majoritatea zonelor și poate fi ușor reciclat.

FIG. 5 transmite compromisurile economice dintre SLA și două soluții de chimie Li-ion. Desigur, există multe detalii care intră în acest model economic, cum ar fi costurile de expediere și simplitatea înlocuirii bateriei, deci este important să verificați detaliile înainte de a lua o decizie.

Pe durata de viață a produsului de aproximativ 10 ani, SLA ar trebui înlocuit de cinci ori. Un pachet de oxid de cobalt cu o capacitate similară ar costa aproximativ de două ori mai mult, dar durata de viață a acestuia este aproape dublă față de SLA.

Costul inițial ar fi mai mare, dar pe durata de viață a produsului, costul total poate fi mai mic. Un pachet Li-ion de fosfat de fier ar fi probabil de aproximativ trei până la patru ori mai mare decât costul inițial, dar ciclul de viață este atât de lung încât soluția va avea aproape sigur un cost mai mic pe durata de viață a produsului.