- Litiumioniakkujen historia
- Litiumioniakkujen kemia ja työskentely
- Johdatus litiumioniakkuihin
- Helpoin tapa käyttää 18650-kennoa
- Litiumioniakku (sarjaan ja rinnakkain)
Ellei jotkut Tony Stark astu sisään ja keksivät kaarireaktoria tai aurinkoenergiasatelliittien (SPS) tutkimusta langattomaan energiansiirtoon, meidän ihmisten on oltava riippuvaisia paristoista kannettavien tai etäelektroniikkalaitteidemme virrassa. Yleisin kulutuselektroniikasta löytyvä ladattava akku on joko litiumioni- tai litiumpolymeerityyppinen. Tässä artikkelissa kiinnostuksemme koskisi litiumioniakkuja, koska ne ovat yleensä hyödyllisempiä kuin kaikki muut tyypit. Olipa kyseessä pieni virtapankki, kannettava tietokone tai jotain niin suurta kuin Teslan uusi malli 3, kaikki toimii litiumioniakulla.
Mikä tekee näistä paristoista erityisen? Mitä sinun pitäisi tietää siitä, ennen kuin käytät sellaista projekteissasi? Kuinka lataat tai purat nämä akut turvallisesti? Jos olet utelias tietämään vastaukset kaikkiin näihin kysymyksiin, olet päässyt oikeaan artikkeliin, vain istu alas ja lue läpi, kun yritän pitää tämän mahdollisimman mielenkiintoisena.
Litiumioniakkujen historia
Idean litiumioniakusta keksi ensimmäisen kerran GN Lewis vuonna 1912, mutta se tuli toteutettavaksi vasta vuonna 1970 ja ensimmäinen kertakäyttöinen litiumakku saatettiin kaupallisille markkinoille. Myöhemmin 1980-luvulla insinöörit yrittivät valmistaa ensimmäisen ladattavan akun käyttäen litiumia anodimateriaalina ja menestyivät osittain. He eivät huomanneet, että tämäntyyppiset litiumakut olivat epävakaita latausprosessin aikana, ja se loisi akun sisälle oikosulun, joka nostaisi lämpötilaa ja aiheuttaisi termisen pakenemisen.
Vuonna 1991 yksi tällainen matkapuhelimissa käytetty litiumakku räjähti miehen kasvojen yli Japanissa. Vasta tämän tapahtuman jälkeen todettiin, että litiumioniakkuja tulisi käsitellä erittäin varovasti. Valmistajat palauttivat sitten valtavan määrän tällaisia markkinoille tulleita paristoja turvallisuuskysymyksistä. Myöhemmin pitkän tutkimuksen jälkeen Sony esitteli edistyneet litiumioniakut uudella kemialla, jota käytetään tähän päivään saakka. Päätetään historian oppitunnit täällä ja tutkitaan litiumioniakun kemiaa.
Litiumioniakkujen kemia ja työskentely
Kuten nimestä selvästi käy ilmi, litiumioniakut käyttävät litiumioneja työnsä suorittamiseen. Litium on erittäin kevytmetalli, jolla on suuri energiatiheys, tämän ominaisuuden ansiosta akku on kevyt ja tarjoaa suuren virran pienellä muodoltaan. Energiatiheys on energiamäärä, joka voidaan varastoida akun tilavuusyksikköä kohti, mitä suurempi energiatiheys, sitä pienempi akku on. Huolimatta litiummetallin ylivoimaisista ominaisuuksista, sitä ei voida käyttää elektrodina suoraan paristoissa, koska litium on metallisen luonteensa vuoksi erittäin epävakaa. Siksi käytämme litiumioneja, joilla on enemmän tai vähemmän sama ominaisuus kuin litiummetallilla, mutta se on ei-metallista ja on suhteellisen turvallisempaa käyttää.
Normaalisti litiumpariston anodi on valmistettu hiilestä ja akun katodi on valmistettu kobolttioksidilla tai muulla metallioksidilla. Näiden kahden elektrodin yhdistämiseen käytetty elektrolyytti on yksinkertainen suolaliuos, joka sisältää litiumioneja. Poistettaessa positiivisesti varautuneet litiumionit liikkuvat kohti katodia ja pommittavat sitä, kunnes se on positiivisesti varautunut. Nyt kun katodi on positiivisesti varattu, se houkuttelee negatiivisesti varautuneita elektroneja sitä kohti. Nämä elektronit saatetaan virtaamaan piirimme kautta, mikä virtaa piiriä.
Vastaavasti latauksen aikana tapahtuu aivan päinvastainen. Varaukseen kuuluvat elektronit virtaavat akkuun ja täten litiumionit liikkuvat kohti anodia, jolloin katodi menettää positiivisen varauksensa.
Johdatus litiumioniakkuihin
Tarpeeksi teoriaa litiumioniakkuista, tutustutaan nyt käytännössä näihin soluihin, jotta voimme olla varmoja siitä, että käytät niitä projekteissamme. Yleisimmin käytetty litiumioniakku on 18650-kenno, joten keskustellaan samasta tässä artikkelissa. Tyypillinen 18650-solu on esitetty alla olevassa kuvassa
Kuten kaikilla paristoilla, litiumioniakulla on myös jännite- ja kapasiteettiluokitus. Kaikkien litiumkennojen nimellisjännite on 3,6 V, joten tarvitset korkeamman jännitemäärityksen, sinun on yhdistettävä kaksi tai useampia kennoja sarjaan sen saavuttamiseksi. Oletusarvoisesti kaikkien litiumionikennojen nimellisjännite on vain ~ 3,6 V. Tämän jännitteen voidaan antaa laskea 3,2 V: iin, kun se on täysin purkautunut, ja jopa 4,2 V: n, kun se on täysin ladattu. Muista aina, että akun purkaminen alle 3,2 voltin tai lataaminen yli 4,2 voltin vahingoittaa akkua pysyvästi ja siitä voi tulla myös resepti ilotulitteille. Antaa erittelyn 18650-paristoon sisältyvistä termeistä, jotta voimme ymmärtää paremmin. Muista, että nämä selitykset koskevat vain yhtä 18650-kennoa, saamme enemmän litiumioniakkuihin myöhemmin, joissa useampi kuin yksi kenno on kytketty sarjaan tai rinnakkain saadakseen paljon suuremmat jännite- ja virtasuositukset.
Nimellisjännite: Nimellisjännite on 18650-kennon todellinen nimellisjännite. Oletusarvoisesti se on 3,6 V ja pysyy samana kaikissa 18650 kennossa sen valmistajista huolimatta.
Täysi purkautumisjännite: 18650-kennoa ei saa koskaan antaa purkautua alle 3,2 V: n, jos näin ei tehdä, akun sisäinen vastus muuttuu, mikä vahingoittaa akkua pysyvästi ja voi myös johtaa räjähdykseen
Täysi latausjännite: Litiumionikennon latausjännite on 4,2 V. On huolehdittava siitä, että kennojännite ei nouse 4,2 V milloin tahansa.
mAh-luokitus: Solun kapasiteetti ilmoitetaan normaalisti mAh-arvona (Milliampeeritunti). Tämä arvo vaihtelee ostamasi solutyypin mukaan. Oletetaan esimerkiksi, että solumme on 2000 mAh, mikä on vain 2 Ah (ampeeri / tunti). Tämä tarkoittaa, että jos vedämme 2A tästä akusta, se kestää yhden tunnin ja vastaavasti, jos vedämme 1A tästä paristosta, se kestää 2 tuntia. Joten jos haluat tietää, kuinka kauan akku kuluttaa projisointia (ajoaika), sinun on laskettava se käyttämällä mAh-luokitusta.
Käyntiaika (tunteina) = Nykyinen piirustus / mAh-luokitus
Missä vedetyn virran tulisi olla C-luokitusrajan sisällä.
C-luokitus: Jos olet koskaan miettinyt, mikä on enimmäisvirta, jonka voit saada paristosta, vastauksesi saat akun C-luokituksesta. Akun C-luokitus muuttuu jälleen kullekin akulle, oletetaan, että meillä on 2Ah akku, jonka luokitus on 3C. Arvo 3C tarkoittaa, että akku pystyy tuottamaan 3 kertaa nimellisarvon Ah suurimman virran. Tässä tapauksessa se voi syöttää jopa 6A (3 * 2 = 6) suurimpana virtana. Normaalisti 18650 kennolla on vain 1C-luokitus.
Suurin akusta otettu virta = C-luokitus * Ah-luokitus
Latausvirta: Toinen tärkeä huomattava akun erittely on sen latausvirta. Se, että akku voi syöttää enintään 6A: n virran, ei tarkoita, että se voi ladata 6A: lla. Akun enimmäislatausvirta mainitaan akun datalehdessä, koska se vaihtelee akun mukaan. Normaalisti se on 0,5 C, mikä tarkoittaa puolta Ah-arvon arvosta. 2 Ah akun latausvirta on 1 A (0,5 * 2 = 1).
Latausaika: Pienin latausaika, joka tarvitaan yhden 18650-kennon lataamiseen, voidaan laskea käyttämällä latausvirran arvoa ja akun Ah-luokitusta. Esimerkiksi 2Ah: n akun lataaminen 1A: n latausvirralla kestää noin 2 tuntia, olettaen, että laturi käyttää kennon lataamiseen vain CC-menetelmää.
Sisäinen vastus (IR): Akun kunto ja kapasiteetti voidaan ennustaa mittaamalla akun sisäinen vastus. Tämä ei ole muuta kuin pariston anodin (positiivinen) ja katodin (negatiivinen) napojen välisen vastuksen arvo. Solun tyypillinen IR-arvo mainitaan lomakkeessa. Mitä enemmän se ajautuu todellisesta arvosta, sitä vähemmän tehokas akku on. 18650-kennon IR-arvo on milliammialueella, ja IR-arvon mittaamiseksi on olemassa erillisiä instrumentteja.
Latausmenetelmät: On monia menetelmiä, joita käytetään litiumionikennon lataamiseen. Mutta yleisimmin käytetty on 3-vaiheinen topologia. Kolme vaihetta ovat CC, CV ja trickle lataus. In CC (vakiovirta) tilassa solu panostetaan jatkuvasti latausvirtaa muuttamalla tulojännitettä. Tämä tila on aktiivinen, kunnes akku latautuu tietylle tasolle, sitten CV (vakiojännite)-tila alkaa, kun latausjännite pidetään tyypillisesti 4,2 V: n tasolla. Viimeinen tila on pulssilataus tai tippalataus, jossa pienet virtapulssit välitetään akkuun parantaakseen akun elinkaarta. On myös paljon monimutkaisempia latureita, joihin liittyy 7-vaiheinen lataus. Emme tule syvälle tähän aiheeseen, koska se on kaukana tämän artikkelin soveltamisalasta. Mutta jos olet kiinnostunut tietämään maininnan kommenttiosassa ja kirjoitan erillisen artikkelin Li-ion-solujen lataamisesta.
Lataustila (SOC)%: Lataustila on vain akun kapasiteetti, samanlainen kuin matkapuhelimessamme. Akun kapasiteettia ei voida selkeästi laskea sen jänniteventtiilillä, se lasketaan normaalisti virran integroinnin avulla akun kapasiteetin muutoksen määrittämiseksi ajan myötä.
Purkaussyvyys (DOD)%: DOD antaa kuinka pitkälle akku voi purkautua. Yksikään akku ei tyhjene 100%, koska tiedämme sen vahingoittavan akkua. Normaalisti kaikille paristoille määritetään 80%: n purkaussyvyys.
Solun ulottuvuus: Toinen ainutlaatuinen ja mielenkiintoinen piirre 18650-solussa on sen ulottuvuus. Jokaisen solun halkaisija on 18 mm ja korkeus 650 mm, mikä tekee tästä solusta nimen 18650.
Jos haluat lisää terminologian määritelmiä, tutustu MIT Battery -terminologian dokumentaatioon, josta löydät varmasti lisää akkuun liittyviä teknisiä parametreja.
Helpoin tapa käyttää 18650-kennoa
Jos olet täydellinen aloittelija ja olet vasta aloittamassa 18650 solua projektisi virittämiseksi, helpoin tapa olisi käyttää valmiita moduuleja, jotka voivat ladata ja purkaa turvallisesti 18650 solua. Ainoa tällainen moduuli on TP4056-moduuli, joka pystyy käsittelemään yhtä 18650-solua.
Jos projektisi vaatii tulojännitteeksi yli 3,6 V, kannattaa ehkä yhdistää kaksi 18650 kennoa sarjaan 7,4 V: n jännitteen saamiseksi. Käytä tällöin moduulia, kuten 2S 3A Li-ion -akkuyksikköä, hyödyllinen lataamiseen ja purkamiseen.
Kahden tai useamman 18650 kennon yhdistämiseksi emme voi käyttää tavanomaista juotostekniikkaa yhteyden muodostamiseksi molempien välillä, vaan käytetään prosessia, jota kutsutaan pistehitsaukseksi. Samoin kun yhdistetään 18650 solua sarjaan tai rinnakkain, tulisi olla varovainen, mitä käsitellään seuraavassa kappaleessa.
Litiumioniakku (sarjaan ja rinnakkain)
Pienen kannettavan elektroniikan tai pienten laitteiden virran saamiseksi yksi 18650-kenno tai korkeintaan niiden pari sarjana tekisi temppu. Tämän tyyppisessä sovelluksessa monimutkaisuus on pienempi, koska mukana olevien paristojen määrä on pienempi. Suurempaan sovellukseen, kuten sähköpyörä / mopo tai Tesla-auto, meidän on kuitenkin yhdistettävä monet näistä kennoista sarjaan ja rinnakkain halutun lähtöjännitteen ja kapasiteetin saavuttamiseksi. Esimerkiksi Tesla-auto sisältää yli 6800 litiumkennoa, joista jokaisen luokitus on 3,7 V ja 3,1 Ah. Alla oleva kuva osoittaa, kuinka se on järjestetty auton alustan sisään.
Koska seurattavien solujen lukumäärä on suuri, tarvitsemme erillisen piirin, joka voi vain ladata, valvoa ja purkaa näitä soluja turvallisesti. Tätä erityisjärjestelmää kutsutaan akunvalvontajärjestelmäksi (BMS). BMS: n tehtävänä on tarkkailla jokaisen litiumionikennon yksittäistä kennojännitettä ja tarkistaa myös sen lämpötila. Sen lisäksi jotkut BMS seuraavat myös järjestelmän lataus- ja purkuvirtaa.
Kun yhdistetään useampi kuin kaksi kennoa pakkauksen muodostamiseksi, on huolehdittava siitä, että niillä on sama kemia, jännite, Ah-luokitus ja sisäinen vastus. Samalla kun kennoja ladataan, BMS varmistaa, että ne ladataan tasaisesti ja purkautuvat tasaisesti niin, että milloin tahansa kaikilla akuilla on sama jännite, tätä kutsutaan solutasapainotukseksi. Tämän lisäksi suunnittelijan on huolehdittava näiden akkujen jäähdyttämisestä lataamisen ja purkamisen aikana, koska ne eivät reagoi hyvin korkeissa lämpötiloissa.
Toivottavasti tämä artikkeli on tarjonnut sinulle tarpeeksi yksityiskohtia, jotta voit olla hieman varma Li-ion-soluista. Jos sinulla on erityisiä epäilyjä, voit jättää kommenttiosaan ja yritän parhaani vastata. Siihen asti onnellinen nokkela.