INFORMATICS

Technologia baterii LI-ION sięga lat 1960 i została opracowana przez Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA). Jednak pierwszy prototyp wyszedł na rynek  w roku 1970.

W 1970 rok M. Whittingham opracował technologię wykorzystującą siarczek tytanu jako materiał katody i metale litu jako elektrody ogniwa.

W 1980 roku na Uniwersytecie w Pensylwani podjęto prace których celem było przystosowanie grafitowych elektrod do pracy z litowymi elektrodami. Był to duży postęp w technologii.

W 1979 roku J Goodenough zademonstrował akumulator LI-ION używając ogniwa z elektrodą litowo tlenowo kobaltowej oraz katodą litową.

Kolejny etap to produkcja funkcjonalnego ogniwa które umożliwia ładowanie litu w graficie zostało to osiągnięte przez Rachid Yazami w 1979 roku. Od tego momentu aż do roku 1985 rozpoczyna się praca nad opracowaniem technologii do masowej produkcji.

 Litowa bateria wtórna została opracowana przez Akira Yoshino w Japoni około 1985 roku i została wprowadzona na rynek przez firmę SONY w roku 1991. Materiałem katody w tej baterii był LiCoO2 (LCO) . Zastosowanie tlenku kobaltu było bardzo ważne ze względów bezpieczeństwa, struktura chemiczna takiego ogniwa była bardziej stabilna w warunkach atmosferycznych i była mniej niebezpieczna.

Bateria LI-ION składa się tak jak większość baterii z trzech głównych składników.

Katody, Anody, Elektrolitu

Głównym nośnikiem naładowania są jony litu stąd nazwa technologii akumulatorów. Zarówno anoda jak i katoda wykonana jest z materiałów które pozwalają na przepływ jonów litu.

 Intercalation - proces w którym jony litu w baterii  LI-ION wstawiane są do elektrody

 Deintercalation - proces odwrotny czyli wyodrębnianie jonów litu z elektrody

Baterie LI-ION

Większość baterii (ogniw) ładowane jest napięciem 4,20V/cell z tolerancją +-50mV/cel. Wyższe napięcie może zwiększyć wydajność ale powoduje utlenianie ogniw i zmniejsza ich żywotność.

Podczas ładowania baterii może wystąpić nieznaczny wzrost temperatury około jednego stopnia celsjusza

Baterie LI-ION nie lubią być w pełni naładowane tak jak baterie kwasowo ołowiowe. Jest to wręcz niepożądane gdyż wysokie napięcie niszczy baterię. Również ważne w bateriach LI-ION jest pilnowanie dolnego napięcie którego przekroczenie powoduje że bateria ulega uszkodzeniu. Spadek napięcia na ogniwie poniżej napięcia minimalnego powoduje natychmiastowy spadek napięcia do zera.

Producenci baterii zgodnie z oczekiwaniem rynku nakładają nacisk na wydłużenie czasu pracy baterii czyli maksymalne ładowanie co jednocześnie zmniejsza żywotność baterii.

Kolejnym ważnym elementem baterii LI-ION jest ładowarka. Bateria LI-ION powinna być ładowana w odpowiedniej sekwencji. Niektóre tanie ładowarki stosują uproszczony algorytm ładowania. Akumulator ładuje się szybciej ponieważ ładowarka nie przechodzi do drugiego etapu ładowania czyli zwiększenia nasycenia baterii. Najczęściej pierwszy etap ładowania czyli moment w którym bateria osiągnie poziom napięcia na etapie 1 kończy proces przy 85 procentowym naładowaniu ogniw. Powoduje to krótszy okres pracy baterii czego przyczyną jest ładowarka.

Zjawisko jest to częste w masowym przemyśle komórkowym.

 Unikanie pełnego naładowania zwiększa czas życia baterii - niektórzy producenci wykorzystują to i obniżają próg naładowania baterii poprzez zmniejszenie napięcia granicznego.

 Dodanie pełnego nasycenia przy odpowiednim napięciu zwiększa moc baterii o około 10 %.

Gdy rozpoczynamy ładowanie baterii następuje szybki skok napięcia. Szybkość wzrostu napięcia spada przy zbliżaniu się do napięcia granicznego.

Ogniwa LI-ION nie mogą być ładowane ponad napięcie progowe. Po osiągnięciu wyznaczonego napięcia ładowarka musi być odłączona w przeciwnym wypadku nastąpi uszkodzenie powłoki litowej co może być niebezpieczne.

Gdy ładowanie jest zakończone napięcie baterii zaczyna spadać co zmniejsza przeładowanie baterii. Z biegiem czasu możemy zaobserwować różnicę pomiędzy napięciami od 3,60 i 3,90 V/ogniwo. Należy pamiętać że w pełni naładowany akumulator będzie utrzymywał dłużej wyższe napięcie niż bateria która była szybko ładowana i zakończono cykl na napięciu progowym bez nasycania baterii.

Jeżeli używamy urządzenia które podłączone jest do ładowarki i pozostaje w trybie gotowości operacyjnej często stosowane są do takiego urządzenia specjalne ładowarki które stosują metodę wyrównywania samorozładowywania się akumulatora oraz ochronę obwodów przed zużyciem. Ładowarka może podawać napięcie gdy napięcie na baterii spadnie do 4,05V/cel i wyłączać ładowanie w momencie osiągnięcia napięcia 4,20V/Cell. Niektóre ładowarki potrafią przewidzieć gotowość operacyjną i utrzymują wtedy ogniwa na poziomie od 4,00V/cel do 4,05V/cel zamiast pełnego naładowania 4,2V/cel. Zmniejsza to stres na baterii.

System ładowania na poziomie 4.2V nazywamy powolnym "sączeniem" prądu w kierunku ładowanego urządzenia. Gdyby nie ten zabieg akumulatory pokrywały by się metalicznym litem który obniża ich sprawność i powoduje niebezpieczeństwo wybuchu. Tricke-charge dba o ty by akumulator utrzymywał się na poziomie 4.2V/cel przy dolnej wartości 4,05V/cel. Taki algorytm ładowania i utrzymywania baterii powoduje mniejszy stres na baterii która nie lubi przeładowywania powodującego zmniejszenie żywotności

 Niektóre urządzenia przenośne umieszczone są w podstawkach ładujących prąd pobierany przez takie urządzenie nazywamy pasożytniczym. Umieszczanie urządzenia w podstawce ładującej zakłóca cykle ładowania. Producenci odradzają posożytnicze obciążanie ponieważ indukuje mini cykle. Akumulator utrzymuje stałe napięcie na wysokości napięcia granicznego 4,2V/cel co powoduje szczególnie wysoki poziom stresu na baterii. Urządzenie przenośne podczas ładowania powinno zostać wyłączone. Pozwala to utrzymać pełny cykl ładowania a następnie jego przerwanie w momencie nasycenia. Obciążenie pasożytnicze myli ładowarkę i zmniejsza czas żywotności baterii.

Ładowanie  baterii LI-ION jest prostsze niż ładowania ogniw na bazie NIKLU głównie dlatego że głównym wyznacznikiem ładowania są napięcia progowe których osiągnięcie oznacza początek lub koniec ładowania.  Dodatkowym sposobem stwierdzenia że bateria jest naładowana pokazuje nam miernik gdy podczas ładowania bateria pobiera mały prąd. Prądy łądowania w  bateriach LI-ION mogą mniec duże rużnice.

 Przegrzanie baterii LI_ION może wystąpić w przypadku przekroczenia dopuszczalnego napięcia ładowania. Przekraczając ten parametr bateria staje się bardziej niestabilna. Długie wystawienie baterii na działanie napięcia wyższego niż 4,3V/cell  niszczy poszycie metalicznej warstwy anody a materiał n a katodzie utlenia się, traci stabilność i wytwarza dwutlenek węgla (CO). Powoduje to wzrost ciśnienia i jeżeli ładowarka jest podłączona przy osiągnięciu ciśnienia 1,380 kPA (200psi).

Jeżeli ciśnienie wzrasta dalej następuje wybuch membrany zabezpieczającej na poziomie 3450kPa (500psi) i komórka może wybuchnąć.

Niekontrolowane możemy obniżyć ładując baterię do pełna na bateriach

LI-Kob próg ten wynosi 130-150 stopni C

Nikt-Mang-Kob próg wynoci 170-180 stopni C

Manganowe 250 stopni C

Li-fosforan podobna a nawet większa wytrzymałość niż mangan

Baterie LI-ION stanowi zagrożenie gdy jest przeładowana. Zagrożenie takie stanowią również baterie na bazie niklu i ołowiu które potrafią się stopić i wywołać pożar

Baterii LI-ION nie należy doprowadzać do zbyt niskiego poziomu naładowania (napięcia minimalnego). Bateria posiada własne zabezpieczenie które uniemożliwia jej rozładowanie. Odcina ona przepływ prądu gdy napięcie na ogniwie spadnie do wartości 3.0V/cell. Jeżeli bateria zostanie rozładowana do wartości 2.7V/cell lub mniejszej zostaje przestawiona w stan uśpienie - jest to zabezpieczenie przeciwprzepięciowe baterii. Po przejściu baterii w uśpienie większość ładowarek nie jest w stanie podjąć ponownego ładowania baterii. Aby zapobiec usypianiu baterii w trakcie przechowywania zastosowano mechanizm jej częściowego naładowania.

Producenci przygotowując baterię do wysyłki ładują ją do około 40%. Mniejszy stan naładowania zmniejsza stres związany ze starzeniem się elementów jednocześnie umożliwia samorozładowanie ogniwa podczas magazynowania. Aby zmniejszyć przepływ prądu stosowane jest zabezpieczenie określane jako uśpienie. Bateria uśpiona jest do momentu w którym zostanie aktywowana poprzez krótkie ładowanie i rozładowanie. Bateria która zostanie wzbudzona nie może już zostać przeniesiona do poprzedniego stanu.

Jeżeli napięcie na baterii spadnie poniżej 1,5V/cell na dłużej niż tydzień, baterii takiej nie należy ładować. Połączenia miedziowe mogą ulec zniszczeniu i może dojść do zwarcia w układzie. Ładowana bateria może stać się niestabilna a podczas ładowania może się przegrzewać lub wykazywać inne anomalia. Baterie które narażone są na stres są bardzo wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne podczas drgań, upadków i narażenia na przegrzanie.

Ładowanie LI-ION baterii jest podobne do ładowania baterli LI-Poly stosowany jest ten sam algorytm ładowania. Często baterie stanowią hybrydę baterii LI-ION oraz baterii LI-Poly.

Proste wytyczne do ładowania akumulatorów

Przenośne urządzenia powinny być wyłączone podczas ładowania. Zapewnia to wykonanie prawidłowych cykli ładowania czyli doprowadzenie do odpowiedniego poziomu napięciowego a następnie nasycenie baterii. Pasożytnicze napięcie zniekształca prawidłowy proces ładowania

Należy ładować baterię w pokojowej temperaturze, nie należy ładować w temperaturze poniżej zera.

Akumulator LI-ION nie musi być w pełni naładowany lepsze jest częściowe obciążenie które nie powoduje stresu baterii

Ładowarki posiadają różne systemy sygnalizacji naładowania baterii nie zawsze oznacza to pełne jej naładowanie.

Nie należy używać baterii które przegrzewają się podczas ładowania.

Jeżeli chcemy przechowywać baterię należy naładować ja do poziomu około 40% pojemności.

Nadmierne rozładowanie uszkadza akumulator i może być już niemożliwe przywrócenie go do życia. Jeżeli przy próbie ładowania napięcie w przeciągu minuty nie wzrośnie do normalnego baterię należy zutylizować.

Wykresy ładowania i rozładowywania baterii LI-ION

Zmiana napięcia w czasie

Zmiana prądu w czasie

Zmiana pojemności w czasie

 Źródło