Li-ion baterie: nabíjení, výroba a skladování

Lithium-iontové baterie jsou v současnosti nejoblíbenější a používají se v noteboocích, mobilních telefonech a tabletech, elektromobilech a dokonce i v letadlech Boeing 787. Oblibu si získaly díky lepšímu poměru hmotnosti a energie. Mají také několik výhod oproti jiným typům baterií:

• Lithium je vysoce reaktivní (interagující) chemický prvek, může být zabudován do krystalových mřížek jiných materiálů a má vysokou energetickou náročnost.
• Lithium-iontová baterie ztrácí pouze 5 % nabití za měsíc
• Před nabíjením se nemusí zcela vybít.
• Má potenciál 500 cyklů (nabíjení a vybíjení)
• Má vestavěnou ochranu proti přebití
• 6krát lehčí než olověná baterie

Existují také nevýhody:

• Ihned po vypuštění začnou degradovat. Jejich životnost je omezena na 2-3 roky od data vydání
• Strach z vysoké teploty
• Nesmí být povoleno úplné vybití. Pokud jsou zcela vybité, mohou selhat
• Byl zaznamenán případ výbuchu nebo požáru (Neustále upravováno. Moderní lithium-iontové baterie jsou vybaveny víceúrovňovými bezpečnostními systémy)

Zařízení s lithium-iontovou baterií

Konstrukce lithium-iontové baterie je poměrně složitá, protože má několik součástí. Baterie se obvykle skládá z:

• Deska obsahující: měnič napětí a regulátor obvodu, mikroobvod, který reguluje rychlost a úroveň nabití článků
• Snímače teploty a napětí článků
• Lithium-iontové články

Lithium-iontové články mají různé velikosti a dělí se na dva typy: válcové a prizmatické (čtvercové). Níže je fotografie autobaterie Tesla s viditelnými válcovými články uvnitř.

Válcový lithium-iontový článek

Lithium-iontový válcový článek je velmi podobný běžné AA baterii, ale není nezávislým zdrojem energie, ale pouze bateriovým prvkem. Tělo lithium-iontového článku je vyrobeno z nerezové oceli nebo hliníku. Jedna strana krytu (-) je prázdná a druhá (+) má ventilační otvory nebo ventilační plastový těsnící kroužek.

Tato konstrukce zajišťuje bezpečnost v případě přehřátí. Přehřátí lithium-iontového článku může způsobit požár nebo dokonce výbuch, takže každá baterie založená na tomto typu článku má snímač teploty článku.

Jako každý jiný lithium-iontový článek jsou anodové (+) a katodové (-) elektrody odděleny separátorem a stočeny do těsné spirály. Uvnitř krytu je obvykle jako elektrolyt éter (organické rozpouštědlo obsahující soli lithia). Kladná elektroda se skládá z oxidu lithného a kobaltnatého LiCoO_2, negativ z uhlíku (speciální grafit). Lithné ionty mohou být zabudovány do uhlíkové mřížky. Separátor je vyroben z mikroporézního plastu a slouží jako izolátor proti zkratu elektrod a jako transportér rozpouštědla.

Schéma nabíjení lithium-iontové baterie

Léčivou látkou jsou ionty lithia. Při nabíjení se ionty lithia pohybují od anody (+) ke katodě (-) a naopak během vybíjení. Kladně nabité ionty lithia mají schopnost integrovat se do krystalové mřížky jiných materiálů a přenášet náboj.

Jeden článek válcové lithium-iontové baterie obvykle vyrábí od 3,7V.

Výroba cylindrického lithium-iontového článku

Výroba lithium-kobaltoxidových baterií je dobře zavedený proces. Cylindrické články se vyrábějí na vysoce automatizovaných linkách. Lidský faktor je zcela eliminován, což zajišťuje vysokou kvalitu a bezpečnost, protože při výrobě jsou použity toxické materiály.

Výrobní proces začíná výrobou anody (kladné elektrody). Hliníková fólie je na obou stranách potažena směsí oxidu lithného a kobaltnatého (LiCo02) a pojivovou kompozicí. Dále se vyrábí katoda (záporná elektroda). Hliníková fólie je oboustranně potažena směsí speciálního grafitu a pojiva. Mezi anodu a katodu jsou umístěny separátory z mikroporézního polymerního filmu.

Všechny vrstvy jsou stočeny do spirály a umístěny v ocelové nebo hliníkové trubce se dnem. Na spodní straně je instalován spodní izolátor. Celý povrch této trubice je záporný pól baterie. Poté se naplní elektrolyt (obsahující soli lithia). V hrdle trubky jsou postupně instalovány ventilační kroužek, horní izolátor a kladná svorka. Na konci montáže se článek nabije a otestuje.

Proces výroby cylindrických Li-ion článků

přihláška lithium-iontové baterie

Baterie Boeing 787 sestává z 8 prvků (článků), z nichž každý produkuje 4V DC. Společně produkují 32 V. Stejně jako u všech lithium-iontových baterií je instalována jednotka, která řídí napětí a teplotu baterie.

Design lithium-iontové baterie Boeing 787

Kromě toho je instalováno zařízení pro sledování a regulaci napětí. Všechny tyto systémy poskytují 4 úrovně bezpečnosti elektronických obvodů baterie před přehřátím a přepětím.

7. ledna 2013 vzplála lithium-iontová baterie Boeingu 008 na palubě Japan Airlines #JL787 na mezinárodním letišti Logan v Bostonu Letecká společnost následně uzemnila Boeing 787 a vytvořila komisi, která měla určit příčinu požáru a potvrdit bezpečnost. používání lithium-iontových baterií.

Komise zjistila, že příčinou požáru bylo přehřátí jednoho z článků baterie a pravděpodobně následný zkrat. V důsledku přehřátí se rozpouštědlo v článku odpařilo a naplnilo pouzdro baterie. Po kontrole všech letadel tohoto typu a vypracování preventivních bezpečnostních opatření byly lety obnoveny.

autobaterie Tesla Model S

se skládá ze 7000 válcových lithium-iontových článků Panasonic NCR 18650 a produkuje 85 kW za hodinu. Celá vnitřní podlaha je jedna velká baterie. Řidič a cestující jsou přímo nad ním. Z technického hlediska jde o velmi dobré řešení, těžiště vozu je posunuto do nejnižšího bodu, což zajišťuje stabilitu při jízdě.

Přední a zadní nosič zavazadel (elektromotor je velmi kompaktní) se navíc v případě čelního nebo zadního nárazu zdeformuje a odebere na sebe kinetickou energii, aniž by došlo k poškození osob nebo baterie. S největší pravděpodobností i boční náraz vykompenzuje stavba karoserie.

Jedinou otázkou, která zůstává, je bezpečnost samotné baterie. Použití malých a válcových článků není bezdůvodné; válcové lithium-iontové články jsou nejbezpečnější, navíc články mají kovové tělo.

Lithium-iontová baterie Tesla

Lithium-iontové baterie se také používají ve všech hybridních vozidlech kvůli jejich nízké hmotnosti a rychlosti nabíjení.

Doporučení pro lithium-iontové baterie

• Lithium-iontové baterie špatně snášejí hluboké vybíjení. Nenechte ho proto úplně vybít.
• Životnost lithium-iontové baterie je 2-3 roky. Při nákupu nového se vždy podívejte na datum
• Vyvarujte se přehřátí

Lithium-iontové baterie a jejich modifikace jsou nejpokročilejším produktem v oblasti skladování a skladování energie. Používáme je každý den, aniž bychom si toho všimli. Jsou vylepšovány a jejich ceny klesají. Do vývoje a výroby se investují obrovské peníze. V blízké budoucnosti budou dominovat trhu s bateriemi. Odborníci předpokládají, že do roku 2020 bude 14 milionů aut buď elektrických, nebo mít hybridní systém a cena lithium-iontových baterií klesne z 330 na 270 dolarů za 1 kWh.