Pravděpodobně jste je viděli na svých noteboocích. Jsou na vašich telefonech. Pohánějí PDA a přehrávače médií, které s sebou nosíme. Důvod existence těchto zařízení v jejich moderní podobě je jednoduchý. Lithium-iontové baterie poskytují velké množství energie v poměru k jejich hmotnosti. Je to také jedna z nejvýkonnějších možností dobíjecích baterií na trhu.
Pravděpodobně jste ale slyšeli hororové příběhy. Lithium-iontové baterie se mohou vznítit. To je vzácné: asi dvě nebo tři baterie z milionu zaznamenají tento typ selhání. Ale když se to stane, následky jsou zničující. Poruchovost může raketově vzrůst, což vede k celosvětovému stahování produktů a stojí výrobce miliony dolarů.
Proč jsou tedy tak oblíbené? Proč svítí? Co můžeme skutečně udělat, abychom tomu zabránili nebo prodloužili jejich životnost? Podíváme se na otázky vědy a bezpečnosti.
Výhody vysoké energetické hustoty
Lithium-iontová technologie se stala hlavním proudem, protože je lepší než tradiční chemie téměř ve všech oblastech důležitých pro spotřebitele.
Prvním faktorem je hmotnost. Typická lithium-iontová baterie dokáže uložit 150 watthodin energie do jednoho kilogramu. Oproti ostatním běžným typům je rozdíl obrovský. NiMH (nikl-metal hydridové) baterie mohou uložit 100 watthodin na kilogram, ale běžnější je 60–70 watthodin. Olověné baterie? Snaží se udržet 25 watthodin na kilogram.
Abyste získali stejnou energii z olověného akumulátoru, potřebovali byste 6kg akumulátor. To je rozdíl 6x. Elektrody jsou vyrobeny z lehkého lithia a karbonu. Lithium je velmi reaktivní. Jeho atomové vazby ukládají velké množství energie, což dává lithium-iontovým bateriím jejich vysokou hustotu energie.
Žádný „paměťový efekt“ a pomalé samovybíjení
Kromě hmotnosti si tyto baterie udržují svůj náboj mnohem lépe než jejich předchůdci. Lithium-iontové baterie ztratí za měsíc asi 5 % svého nabití. Baterie NiMH ztrácejí 20 % svého nabití. Pokud zařízení necháte měsíc nepoužívané, nebudete začínat od nuly.
Nechybí ani paměťový efekt. Před nabíjením není nutné baterii zcela vybít. Tato pohodlná funkce změnila způsob, jakým používáme přenosná elektronická zařízení. Nabíjejte baterii, kdy chcete, ne proto, že to baterie vyžaduje.
Lithium-iontové baterie vydrží stovky cyklů nabití a vybití bez výrazné degradace. Pro běžného uživatele to znamená roky spolehlivé služby.
Nevýhody: degradace a nebezpečí
Tyto baterie nejsou dokonalé. Mají vážné nedostatky.
Degradace začíná ihned po opuštění továrny. Lithium-iontové baterie mají životnost 2–3 roky od data výroby. I když je nepoužíváte, čas je zabíjí.
Teplo je jejich nepřítel. Vysoké teploty způsobují, že se lithium-iontové baterie opotřebovávají mnohem rychleji než obvykle. Ponechání telefonu v rozpáleném autě může zkrátit jeho životnost.
Lithium-iontové baterie selžou, pokud jsou zcela vybité. Hluboký výboj trvale ničí chemické složky.
K ovládání zařízení potřebujete také palubní počítač. To zvyšuje náklady a složitost. Lithium-iontové baterie vyžadují tento systém řízení, aby se zabránilo přebíjení a nadměrnému vybíjení. Díky tomu jsou dražší ve srovnání s jednoduchými bateriemi.
Existuje také nebezpečí požáru. Pokud je lithium-iontová baterie vadná, existuje malá pravděpodobnost, že se vznítí. Nejde jen o teoretické riziko. Jde o známé riziko a výrobci neustále pracují na jeho snížení.
Vnitřní chemie
Abychom pochopili, proč se tyto baterie chovají tak, jak se chovají, musíme se do nich podívat. Chemie určuje vše od toho, proč jsou lehké, až po důvod, proč explodují. Na to se podíváme v další části.
Pokud baterii notebooku rozeberete, nenajdete nic magického. To jsou jen buňky a obvody. To se nedoporučuje. Zkrat v lithium-iontových bateriích může způsobit požár. Ale pokud jej bezpečně rozeberete, zjistíte, že jeho vnitřní struktura je pozoruhodně stejná bez ohledu na značku nebo model.
Je založen na lithium-iontové baterii. Vyskytuje se ve dvou hlavních formách. Válcové baterie jsou podobné větším AA bateriím. Prizmatické prvky jsou ploché obdélníky. Jsou stohovány nebo srolovány uvnitř kovového pouzdra. Toto pouzdro je víc než jen balení. Udržuje tlak. Když se vnitřní tlak příliš zvýší v důsledku zahřívání nebo přeplňování, ventil se otevře. Uvolňuje plyn. Poté baterie s největší pravděpodobností selže. Jedná se o bezpečnostní zařízení, které zabraňuje scénářům výbuchu. Existují také spínače s kladným teplotním koeficientem (PTC). Pokud se příliš zahřeje, vypnou proud.
Ale skutečný příběh se skrývá v ovladači.
Mozek v cihle
Mezi buňkami je skryta malá základní deska. V podstatě se jedná o mikrokontrolér. Tento Battery Management System se o vše postará.
Monitorování a řízení zahrnují:
- Snímač teploty neustále kontroluje úroveň teploty.
- Převodníky a regulátory napětí udržují proud a napětí v bezpečných mezích.
- Chráněný konektor notebooku umožňuje přenos energie a dat mezi baterií a notebookem.
- Voltage Taps řídí energetickou kapacitu každé baterie.
- Sledování stavu nabíjení funguje jako minipočítač. Reguluje proces nabíjení pro maximalizaci rychlosti a rychlosti plnění.
Tento počítač je složitý. Funguje tak, že čerpá vlastní energii z baterie. Lithium-iontové baterie mají nízkou spotřebu energie a pokud se nepoužívají, ztrácejí přibližně 5 % svého nabití za měsíc.
Proč mám vybitou baterii?
Systém řízení má přísná pravidla. Pokud se baterie během používání nebo nabíjení příliš zahřeje, ovladač odpojí napájení. Snaží se ochladit. Možná jste se s tím už setkali. Nechte svůj notebook v rozpáleném autě. Zkuste to zapnout. Ovladač baterie mu nedovolí začít pracovat. Počkejte, až teplota klesne.
Sleduje také zdraví vašich buněk. Po úplném vybití baterie se baterie vypne. Hluboké vybití může zničit lithium-iontové baterie. Ovladač nedovolí použití poškozené jednotky.
Sleduje také cykly nabíjení/vybíjení. Tyto informace jsou přenášeny do indikátoru baterie notebooku. Takto operační systém pozná, kolik energie zbývá. To není dohad. Přijímá data v reálném čase z vestavěného počítače.
Kovové tělo je velmi důležité
Tělo je obvykle kovové. To není náhoda. Lithium-iontové baterie fungují pod tlakem. Kovová pouzdra tomuto tlaku vydrží. Chrání také vnitřní elektronické součástky.
Otvor pro uvolnění tlaku je kritický. Je citlivý na tlak. Pokud se baterie přehřeje až k možné explozi, přebytečný plyn se uvolní přes ventily. Jedná se o jednosměrný proces. Po uvolnění tlaku je těsnost porušena. Baterie se stane nepoužitelnou.
PTC spínač pracuje ve spojení s ventilem. Se zvyšující se teplotou se zvyšuje odpor, který zabraňuje přehřátí. To omezuje tok proudu. Získáte tak čas, než se systém ochladí nebo než uživatel odpojí nabíječku.
Tyto bezpečnostní prvky jsou důvodem, proč moderní baterie neexplodují při každém nabití. Ale také znamenají, že baterie jsou složitější než jednoduchá zařízení pro ukládání energie. Toto je účinná látka. myslí si. Dělá rozhodnutí. V některých případech možná budete muset počkat.
Uvnitř buňky
Odstraňte kovový kryt, abyste odhalili dlouhou spirálu. Nejsou to jen dráty. Vzniká těsným spojením tří tenkých vrstev.
- Pozitivní elektroda
- Záporná elektroda
- Separátor
Ponořte jej do organického rozpouštědla. Éter se zde používá velmi často. Hlavní práci vykonává rozpouštědlo, které působí jako elektrolyt.
Separátoři jsou nezaslouženě zapomenutí hrdinové. Jedná se o mikroporézní plastovou fólii. Tenký jako papír na ubrousky. Jeho úkol je jednoduchý, ale nezbytně nutný: zabránit kontaktu mezi kladným a záporným pólem. Dotyk způsobí zkrat. Separátor však umožňuje průchod iontů. Tyto póry jsou dostatečně malé, aby zabránily fyzickému kontaktu, ale dostatečně velké, aby se lithium mohlo volně pohybovat.
Vnitřní chemické složení je specifické. Jako kladná elektroda se používá oxid lithný kobaltnatý (LiCoO₂). A co záporná elektroda? Jen karbon.
Během nabíjení se vyvážení mění. Lithiové ionty opouštějí LiCoO₂. Procházejí elektrolytem. A usadí se na uhlíku.
Vypouštění obrátí tok. Ionty se vracejí z uhlíku do LiCoO₂.
Toto je jednoduchá smyčka. Pokud však uděláte chybu, může se váš telefon vznítit.
Chemické reakce uvnitř lithium-iontové baterie probíhají při vysokém napětí. Každý jednotlivý článek produkuje 3,7 voltu. Toto číslo je důležité, protože je to více než dvojnásobek 1,5 voltu standardní alkalické baterie AA, kterou můžete koupit v každém obchodě s potravinami. Vyšší napětí znamená, že k napájení zařízení je potřeba méně baterií zapojených do série. Méně buněk zabírá méně fyzického prostoru. Díky této účinnosti jsou smartphony velmi tenké a lehké. Není to magie. To je prostě zvýšení energetické náročnosti.
Výhody vysokého napětí v přenosných zařízeních
Pokud jste někdy srovnávali objemný starý vyklápěcí telefon s moderním zařízením, které je jen „tabulí skla“, rozdíl spočívá v jejich chemickém složení. Alkalické baterie jsou skvělé. Složité obvody vyžadují k dosažení požadovaného napětí více prvků. Lithium-iontové baterie mohou plnit stejnou funkci ve zlomku velikosti. Kompaktnost je hlavním důvodem vzhledu zařízení, která se pohodlně vejdou do kapsy. Existují ale i kompromisy. Vysoká energetická náročnost také znamená, že se při poruše uvolní velké množství energie. Problematice výbuchů se budeme věnovat později. Nejprve zjistíme, jak prodloužit životnost.
Prodloužení životnosti baterie
Chceme prodloužit životnost lithium-iontových baterií. Nikdo s sebou nechce nosit „cihlu“, která se před obědem rozpadne. Cílem je prodloužit životnost lithium-iontových baterií bez zbytečného komplikování každodenních úkolů. Tato chemikálie je citlivá na teplo a extrémní podmínky nabíjení.
- ** Zabraňte úplnému vybití. ** Úplné vybití telefonu může způsobit napětí v elektrolytu.
- Neudržujte nabití neustále na 100 %. Maximální napětí urychluje degradaci.
- **Uchovávejte v chladu. ** Teplo je váš nepřítel. Nenechávejte zařízení v horkém autě.
Většina výrobců doporučuje udržovat nabití mezi 20 % a 80 % pro každodenní použití. To neznamená, že je to dokonalé. To snižuje namáhání vnitřních součástí. K ovládání nepotřebujete žádné speciální aplikace. Když je baterie téměř plně nabitá, vypněte nabíjení. Nevybíjejte ho na nulu.
Proč lithium-iontové baterie explodují?
Podobné příběhy jste už jistě slyšeli. Telefon je zapnutý. Notebooky vzplanuly. Zní to jako sci-fi. Ale to je vážné riziko pro lithium-iontovou chemii. Proč explodují?
Odpověď spočívá v elektrolytech. Jsou hořlavé. K tepelnému úniku dochází, když vnitřní struktury selžou. Teplo se hromadí. Teplo vyvolává další teplo. Separátor mezi anodou a katodou se roztaví. Obě strany se dotýkají. Dojde ke zkratu. Vysoce hořlavý elektrolyt se může vznítit.
To se nestává často. Moderní zařízení mají ochranné obvody, které odpojí napájení dříve, než se příliš zahřejí. Ale když obrana selže, následky jsou zničující. Tlak uvnitř uzavřeného pouzdra se zvyšuje. Skořápka nakonec praskne. Uvolňují se plyny. Může dojít k požáru.
Podívali jsme se na to, jak vysoké napětí činí tyto baterie kompaktními a účinnými. Studovali jsme, jak prodloužit jejich životnost. Už jsme diskutovali o nebezpečí tepelného útěku. Technologie je mocná. Je také nestabilní. Mezi výkonem a bezpečností existuje křehká rovnováha. Tato zařízení používáme každý den. Věříte jim a věříte, že vám dům nespálí. Ve většině případů je tato důvěra oprávněná. Ale základní chemie zůstává silná.
Maximalizujte životnost a bezpečnost
Lithium-iontové baterie jsou drahé. Pokud chcete, aby váš produkt zůstal v záruce déle, musíte změnit způsob, jakým jej používáte. Chemické složení nemá rádo hluboké výboje. Preferuje cykly částečného vybíjení. Nesnižujte napětí na nulu. To způsobuje nevratné poškození buněk. Nemají „paměťový efekt“, takže předčasné nabíjení baterii nepoškodí. Zabraňte úplnému vybití.
Stárnutí je nevyhnutelné. Tyto baterie vydrží dva až tři roky. Nevytvářejte zásoby baterií s očekáváním, že vydrží pět let, i když jste je nikdy nezapojili. Ne. Při nákupu náhradních dílů zkontrolujte datum výroby. Skladování v poličce, třeba i rok, zkrátí její životnost.
Teplo je váš nepřítel. Vysoké teploty mohou rychle snížit výkon vnitřních součástí. Udržujte své zařízení v chladu.
Proč lithium-iontové baterie explodují?
Víme, jak dlouho vydrží. Nyní se podívejme na to, proč někdy katastrofálně selhávají.
Požár nastane, když se zvýší vnitřní teplota a dojde ke vznícení elektrolytu. Virální videa z notebooků vydávajících kouř potvrzují závažnost problému. Zpráva Canadian Broadcasting Corporation (CBC) „The Summer of Laptop Explosions“ popisuje několik takových incidentů.
Tyto požáry jsou obvykle způsobeny vnitřními zkraty. Uvnitř lithium-iontové baterie je separátor oddělující kladné a záporné elektrody. Pokud je tento separátor proražen, elektrody se dotknou. Díky tomu se rychle zahřívá. Určitě jste to viděli, když máte v kapse 9voltovou baterii. Pokud zkratujete svorky mincí apod., vzniká značné množství tepla.
V lithium-iontových bateriích k tomuto zkratu dochází interně. Množství uvolněné energie je obrovské. Teplo odpařuje organické rozpouštědlo použité jako elektrolyt. Hledání nebo okolní teplo může způsobit požár. Pokud se jedna baterie vznítí, tepelná řetězová reakce se může rozšířit do dalších částí baterie. Celý blok vzplane.
Požáry jsou vzácné. Několik incidentů a několik zpráv však stačilo k tomu, aby vyvolalo masivní stažení.
Často kladené otázky o lithium-iontové technologii
Jak dlouho vydrží lithium-iontová baterie?
Vydrží stovky nabíjecích cyklů. V praxi je předpokládaná životnost 2–3 roky, než dojde k výraznému snížení kapacity.
Co přesně je lithium-iontová baterie?
Dobíjecí baterie do notebooků a mobilních telefonů. Když se ionty lithia pohybují od záporné elektrody přes elektrolyt ke kladné elektrodě, vzniká elektrický proud.
Kolik stojí lithium-iontové baterie?
Průměrné náklady v roce 2020 byly podle BloombergNEF 137 dolarů za kilowatthodinu. Baterie smartphonu stojí mezi 2 a 4 dolary. Baterie elektrických vozidel stojí mezi 7 000 a 20 000 USD. Ceny za posledních 10 let klesly asi o 88 % a budou klesat i nadále.
Jaké jsou hlavní nevýhody?
Někdy se mohou vznítit. Poruchovost je velmi nízká, zhruba dva až tři bloky na milion. Jsou velmi citlivé na teplo, což urychluje jejich degradaci. Stárnutí začíná ihned po opuštění továrny. Prostoje nezastaví proces stárnutí.
Existuje lepší technologie baterie?
Ještě ne. V současné době neexistuje žádná jiná technologie baterií, která by mohla konkurovat lithium-iontovým bateriím. Je dosaženo vyšší hustoty energie. Podporuje více cyklů. Nabíjí se rychleji. A v mnoha případech je jejich použití bezpečnější než jejich alternativy.
