Prawdopodobnie widziałeś je na swoich laptopach. Są na Waszych telefonach. Zasilają one urządzenia PDA i odtwarzacze multimedialne, które nosimy ze sobą. Powód istnienia tych urządzeń w ich nowoczesnej formie jest prosty. Akumulatory litowo-jonowe zapewniają dużą ilość energii w stosunku do swojej wagi. Jest to także jeden z najpotężniejszych akumulatorów dostępnych na rynku.
Ale prawdopodobnie słyszałeś horrory. Baterie litowo-jonowe mogą się zapalić. Jest to rzadkie zjawisko: tego typu awariom ulegają około dwie lub trzy baterie na milion. Ale kiedy tak się dzieje, konsekwencje są druzgocące. Wskaźniki awaryjności mogą gwałtownie wzrosnąć, prowadząc do wycofania produktów na całym świecie i kosztując producentów miliony dolarów.
Dlaczego więc są tak popularne? Dlaczego się świecą? Co tak naprawdę możemy zrobić, aby temu zapobiec lub wydłużyć ich żywotność? Przyjrzymy się kwestiom naukowym i bezpieczeństwu.
Korzyści wynikające z dużej gęstości energii
Technologia litowo-jonowa stała się głównym nurtem, ponieważ przewyższa tradycyjne chemikalia w prawie każdym obszarze ważnym dla konsumentów.
Pierwszym czynnikiem jest waga. Typowy akumulator litowo-jonowy może zgromadzić 150 watogodzin energii w zaledwie jednym kilogramie. W porównaniu do innych popularnych typów różnica jest ogromna. Akumulatory NiMH (niklowo-wodorkowe) mogą przechowywać 100 watogodzin na kilogram, ale częściej stosuje się 60–70 watogodzin. Akumulatory kwasowo-ołowiowe? Walczą o utrzymanie 25 watogodzin na kilogram.
Aby uzyskać taką samą energię z akumulatora kwasowo-ołowiowego, potrzebny byłby akumulator o masie 6 kg. To różnica 6 razy. Elektrody wykonane są z lekkiego litu i węgla. Lit jest bardzo reaktywny. Jego wiązania atomowe magazynują duże ilości energii, co zapewnia akumulatorom litowo-jonowym wysoką gęstość energii.
Brak „efektu pamięci” i powolne samorozładowanie
Oprócz wagi, akumulatory te zachowują swój ładunek znacznie lepiej niż ich poprzednicy. Baterie litowo-jonowe tracą około 5% swojego ładunku miesięcznie. Akumulatory NiMH tracą 20% swojego ładunku. Jeśli zostawisz urządzenia nieużywane przez miesiąc, nie zaczniesz od zera.
Nie ma również efektu pamięci. Nie ma potrzeby całkowitego rozładowywania akumulatora przed ładowaniem. Ta wygodna funkcja zmieniła sposób, w jaki korzystamy z przenośnych urządzeń elektronicznych. Ładuj baterię, kiedy chcesz, a nie dlatego, że bateria tego wymaga.
Baterie litowo-jonowe wytrzymują setki cykli ładowania i rozładowania bez znaczącej degradacji. Dla przeciętnego użytkownika oznacza to lata niezawodnej pracy.
Wady: degradacja i niebezpieczeństwo
Te akumulatory nie są idealne. Mają poważne braki.
Degradacja rozpoczyna się natychmiast po opuszczeniu fabryki. Baterie litowo-jonowe mają żywotność 2–3 lata od daty produkcji. Nawet jeśli ich nie używasz, czas je zabija.
Ciepło jest ich wrogiem. Wysokie temperatury powodują, że akumulatory litowo-jonowe zużywają się znacznie szybciej niż zwykle. Pozostawienie telefonu w nagrzanym samochodzie może skrócić jego żywotność.
Baterie litowo-jonowe ulegają uszkodzeniu, jeśli są całkowicie rozładowane. Głębokie rozładowanie trwale niszczy składniki chemiczne.
Do sterowania urządzeniem potrzebny jest także komputer pokładowy. Zwiększa to koszty i złożoność. Akumulatory litowo-jonowe wymagają tego systemu zarządzania, aby zapobiec przeładowaniu i nadmiernemu rozładowaniu. To sprawia, że są droższe w porównaniu do prostych akumulatorów.
Istnieje również zagrożenie pożarowe. Jeśli akumulator litowo-jonowy jest uszkodzony, istnieje niewielka szansa, że się zapali. To nie jest tylko ryzyko teoretyczne. Jest to znane ryzyko i producenci stale pracują nad jego zmniejszeniem.
Chemia wewnętrzna
Aby zrozumieć, dlaczego te akumulatory zachowują się w taki, a nie inny sposób, musimy zajrzeć do ich wnętrza. Chemia determinuje wszystko, od tego, dlaczego są lekkie, po dlaczego eksplodują. Przyjrzymy się temu w następnej sekcji.
Jeśli rozbierzesz baterię laptopa, nie znajdziesz niczego magicznego. To tylko ogniwa i obwody. Nie jest to zalecane. Zwarcie w akumulatorach litowo-jonowych może spowodować pożar. Jeśli jednak rozłożysz go bezpiecznie na części, przekonasz się, że jego wewnętrzna struktura jest wyjątkowo taka sama, niezależnie od marki i modelu.
Opiera się na akumulatorze litowo-jonowym. Występuje w dwóch głównych postaciach. Baterie cylindryczne są podobne do większych baterii AA. Elementy pryzmatyczne to płaskie prostokąty. Są one układane w stosy lub zwijane w metalowej obudowie. To etui to coś więcej niż tylko opakowanie. Trzyma ciśnienie. Gdy ciśnienie wewnętrzne staje się zbyt wysokie w wyniku nagrzania lub przeładowania, zawór otwiera się. Wypuszcza gaz. Następnie bateria najprawdopodobniej ulegnie awarii. Jest to urządzenie odporne na awarie, które zapobiega scenariuszom eksplozji. Istnieją również przełączniki o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC). Odcinają prąd, jeśli zrobi się za gorąco.
Ale prawdziwa historia kryje się w kontrolerze.
Mózg w cegle
Wśród ogniw ukryta jest niewielka płyta główna. Zasadniczo jest to mikrokontroler. Ten System zarządzania baterią dba o wszystko.
Monitorowanie i zarządzanie obejmuje:
- Czujnik temperatury stale sprawdza poziom temperatury.
- Przetwornice i regulatory napięcia utrzymują prąd i napięcie w bezpiecznych granicach.
- Chronione złącze laptopa umożliwia przesyłanie zasilania i danych pomiędzy baterią a laptopem.
- Zawory napięciowe kontrolują pojemność energetyczną każdej baterii.
- Monitorowanie stanu ładowania działa jak minikomputer. Reguluje proces ładowania, aby zmaksymalizować prędkość i szybkość napełniania.
Ten komputer jest skomplikowany. Działa poprzez pobieranie własnej energii z akumulatora. Baterie litowo-jonowe charakteryzują się niskim zużyciem energii i, jeśli nie są używane, tracą około 5% ładunku miesięcznie.
Dlaczego moja bateria jest słaba?
System zarządzania ma rygorystyczne zasady. Jeśli bateria nadmiernie się nagrzeje podczas użytkowania lub ładowania, kontroler odetnie zasilanie. Próbuje się ochłodzić. Być może spotkałeś się z tym już wcześniej. Zostaw laptopa w nagrzanym samochodzie. Spróbuj to włączyć. Kontroler akumulatora nie pozwoli na rozpoczęcie pracy. Poczekaj, aż temperatura spadnie.
Monitoruje także stan Twoich komórek. Zestaw akumulatorowy wyłącza się po całkowitym rozładowaniu akumulatora. Głębokie rozładowanie może zniszczyć akumulatory litowo-jonowe. Sterownik nie pozwoli na użytkowanie uszkodzonego urządzenia.
Śledzi także cykle ładowania/rozładowania. Informacja ta przekazywana jest do wskaźnika baterii laptopa. W ten sposób system operacyjny wie, ile energii pozostało. To nie jest domysł. Otrzymuje dane w czasie rzeczywistym z wbudowanego komputera.
Metalowy korpus jest bardzo ważny
Korpus jest zwykle metalowy. To nie przypadek. Baterie litowo-jonowe działają pod ciśnieniem. Obudowy metalowe wytrzymują to ciśnienie. Chroni również wewnętrzne elementy elektroniczne.
Otwór dekompresyjny ma kluczowe znaczenie. Jest wrażliwy na nacisk. Jeśli akumulator przegrzeje się do momentu możliwej eksplozji, nadmiar gazu zostanie uwolniony przez zawory. Jest to proces jednokierunkowy. Po zwolnieniu ciśnienia szczelność zostaje zerwana. Bateria staje się bezużyteczna.
Przełącznik PTC współpracuje z zaworem. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się rezystancja, zapobiegając przegrzaniu. Ogranicza to przepływ prądu. Dzięki temu zyskujesz czas do czasu, aż system ostygnie lub użytkownik odłączy ładowarkę.
Dzięki tym funkcjom bezpieczeństwa nowoczesne akumulatory nie eksplodują przy każdym ładowaniu. Oznacza to jednak również, że baterie są bardziej złożone niż proste urządzenia magazynujące energię. To jest składnik aktywny. Myśli. Podejmuje decyzje. W niektórych przypadkach może być konieczne poczekanie.
Wewnątrz celi
Zdejmij metalową obudowę, aby odsłonić długą spiralę. To nie tylko przewody. Powstaje poprzez ścisłe połączenie trzech cienkich warstw.
- Elektroda dodatnia
- Elektroda ujemna
- Separator
Zanurz go w rozpuszczalniku organicznym. Eter jest tu używany bardzo często. Główną pracę wykonuje rozpuszczalnik, pełniąc rolę elektrolitu.
Separatorzy to niezasłużenie zapomniani bohaterowie. Jest to mikroporowata folia z tworzywa sztucznego. Cienki jak papier serwetkowy. Jego zadanie jest proste, ale absolutnie konieczne: zapobieganie kontaktowi między zaciskami dodatnimi i ujemnymi. Dotknięcie powoduje zwarcie. Separator umożliwia jednak przejście jonów. Pory te są wystarczająco małe, aby zapobiec kontaktowi fizycznemu, ale wystarczająco duże, aby umożliwić swobodny przepływ litu.
Wewnętrzny skład chemiczny jest specyficzny. Jako elektrodę dodatnią stosuje się tlenek litu i kobaltu (LiCoO₂). A co z elektrodą ujemną? Po prostu węgiel.
Saldo zmienia się podczas ładowania. Jony litu opuszczają LiCoO₂. Przechodzą przez elektrolit. I osiadają na węglu.
Wyładowanie odwraca przepływ. Jony wracają z węgla do LiCoO₂.
To jest prosta pętla. Jeżeli jednak popełnisz błąd, Twój telefon może się zapalić.
Reakcje chemiczne wewnątrz akumulatora litowo-jonowego zachodzą pod wysokim napięciem. Każde pojedyncze ogniwo wytwarza 3,7 wolta. Liczba ta jest ważna, ponieważ jest ponad dwukrotnie większa niż 1,5 V w przypadku standardowej baterii alkalicznej AA, którą można kupić w każdym sklepie spożywczym. Wyższe napięcie oznacza, że do zasilania urządzenia potrzeba mniej akumulatorów połączonych szeregowo. Mniej komórek zajmuje mniej przestrzeni fizycznej. Ta wydajność sprawia, że smartfony są bardzo cienkie i lekkie. To nie magia. To po prostu wzrost energochłonności.
Zalety wysokiego napięcia w sprzęcie przenośnym
Jeśli kiedykolwiek porównywałeś nieporęczny, stary telefon z klapką do nowoczesnego urządzenia będącego po prostu „taflą szkła”, różnica polega na ich składzie chemicznym. Baterie alkaliczne są świetne. Złożone obwody wymagają wielu elementów, aby osiągnąć wymagane napięcie. Baterie litowo-jonowe mogą pełnić tę samą funkcję przy ułamku ich rozmiaru. Kompaktowość to główny powód pojawienia się urządzeń, które wygodnie mieszczą się w kieszeni. Ale są też kompromisy. Wysoka energochłonność oznacza również, że w przypadku wystąpienia usterki uwalniana jest duża ilość energii. Zagadnieniu eksplozji zwrócimy uwagę później. Najpierw zastanówmy się, jak przedłużyć żywotność.
Wydłużanie żywotności baterii
Chcemy przedłużyć żywotność akumulatorów litowo-jonowych. Nikt nie chce nosić ze sobą „cegiełki”, która rozpadnie się przed lunchem. Celem jest przedłużenie żywotności akumulatorów litowo-jonowych bez niepotrzebnego komplikowania codziennych zadań. Ta substancja chemiczna jest wrażliwa na ciepło i ekstremalne warunki ładowania.
- ** Unikać całkowitego rozładowania. ** Całkowite rozładowanie telefonu może spowodować powstanie napięcia w elektrolicie.
- Nie utrzymuj akumulatora na poziomie 100% przez cały czas. Maksymalne napięcie przyspiesza degradację.
- ** Zachowaj spokój. ** Ciepło jest Twoim wrogiem. Nie zostawiaj urządzenia w nagrzanym samochodzie.
Większość producentów zaleca utrzymywanie poziomu naładowania pomiędzy 20% a 80% podczas codziennego użytku. Nie oznacza to, że jest idealnie. Zmniejsza to obciążenie elementów wewnętrznych. Aby to kontrolować, nie potrzebujesz żadnych specjalnych aplikacji. Wyłącz ładowanie, gdy bateria jest prawie w pełni naładowana. Nie rozładowuj go do zera.
Dlaczego baterie litowo-jonowe wybuchają?
Prawdopodobnie słyszeliście podobne historie. Telefon jest włączony. Laptopy stanęły w płomieniach. Brzmi jak science-fiction. Stanowi to jednak poważne ryzyko dla chemii litowo-jonowej. Dlaczego eksplodują?
Odpowiedź leży w elektrolitach. Są łatwopalne. Ucieczka cieplna ma miejsce, gdy zawodzą struktury wewnętrzne. Ciepło gromadzi się. Ciepło rodzi więcej ciepła. Separator pomiędzy anodą i katodą topi się. Obie strony się stykają. Następuje zwarcie. Wysoce łatwopalny elektrolit może się zapalić.
To nie zdarza się często. Nowoczesne urządzenia posiadają obwody zabezpieczające, które odcinają zasilanie, zanim zrobią się zbyt gorące. Kiedy jednak mechanizmy obronne zawodzą, konsekwencje są druzgocące. Zwiększa się ciśnienie wewnątrz zamkniętej obudowy. W końcu skorupa pęka. Uwalniają się gazy. Może wystąpić pożar.
Przyjrzeliśmy się, jak wysokie napięcie sprawia, że te akumulatory są kompaktowe i wydajne. Badaliśmy, jak przedłużyć ich żywotność. Omówiliśmy już niebezpieczeństwa związane z niekontrolowaną temperaturą. Technologia ma potężną moc. Ona też jest niestabilna. Istnieje delikatna równowaga pomiędzy wydajnością a bezpieczeństwem. Z tych urządzeń korzystamy na co dzień. Ufasz im, wierząc, że nie spalą Twojego domu. W większości przypadków to zaufanie jest uzasadnione. Ale podstawowa chemia pozostaje potężna.
Maksymalizuj żywotność i bezpieczeństwo
Baterie litowo-jonowe są drogie. Jeśli chcesz, aby Twój produkt dłużej był objęty gwarancją, musisz zmienić sposób jego użytkowania. Skład chemiczny nie lubi głębokich wyładowań. Preferuje cykle częściowego rozładowania. Nie zmniejszaj napięcia do zera. Powoduje to nieodwracalne uszkodzenie komórek. Nie posiadają „efektu pamięci”, więc wcześniejsze ładowanie nie spowoduje uszkodzenia akumulatora. Unikaj pełnego rozładowania.
Starzenie się jest nieuniknione. Baterie te wytrzymują dwa do trzech lat. Nie gromadź baterii, spodziewając się, że wystarczą na pięć lat, nawet jeśli nigdy ich nie podłączałeś. Nie. Kupując części zamienne, sprawdź datę produkcji. Przechowywanie go na półce nawet przez rok skraca jego żywotność.
Ciepło jest Twoim wrogiem. Wysokie temperatury mogą szybko obniżyć wydajność elementów wewnętrznych. Chroń swoje urządzenie.
Dlaczego baterie litowo-jonowe wybuchają?
Wiemy, jak długo trwają. Przyjrzyjmy się teraz, dlaczego czasami kończą się one katastrofalnymi niepowodzeniami.
Pożar pojawia się, gdy wzrasta temperatura wewnętrzna i następuje zapalenie elektrolitu. Wirusowe filmy przedstawiające dymiące laptopy potwierdzają powagę problemu. Raport Canadian Broadcasting Corporation (CBC) zatytułowany „Lato eksplozji laptopów” opisuje kilka takich incydentów.
Pożary te są zwykle spowodowane wewnętrznymi zwarciami. Wewnątrz akumulatora litowo-jonowego separator oddziela elektrody dodatnią i ujemną. Jeśli ten separator zostanie przebity, elektrody się zetkną. Dzięki temu szybko się nagrzewa. Prawdopodobnie widziałeś to, gdy masz w kieszeni baterię 9-woltową. Jeśli zewrzesz zaciski monetą itp., wytworzy się znaczna ilość ciepła.
W akumulatorach litowo-jonowych zwarcie to występuje wewnętrznie. Ilość uwolnionej energii jest ogromna. Pod wpływem ciepła odparowuje rozpuszczalnik organiczny stosowany jako elektrolit. Poszukiwanie lub ciepło otoczenia może spowodować pożar. Jeżeli jeden akumulator zapali się, termiczna reakcja łańcuchowa może rozprzestrzenić się na inne części akumulatora. Cały blok stanie w płomieniach.
Pożary są rzadkie. Jednak kilka incydentów i kilka doniesień prasowych wystarczyło, aby wywołać masowe wycofanie.
Często zadawane pytania dotyczące technologii litowo-jonowej
Jak długo wytrzymuje bateria litowo-jonowa?
Wytrzymuje setki cykli ładowania. W praktyce oczekiwany okres użytkowania wynosi 2–3 lata, po czym pojemność ulega znacznemu pogorszeniu.
Co to właściwie jest bateria litowo-jonowa?
Akumulatory do laptopów i telefonów komórkowych. Kiedy jony litu przemieszczają się z elektrody ujemnej przez elektrolit do elektrody dodatniej, generowany jest prąd elektryczny.
Ile kosztują akumulatory litowo-jonowe?
Według BloombergNEF średni koszt w 2020 r. wyniósł 137 dolarów za kilowatogodzinę. Baterie do smartfonów kosztują od 2 do 4 dolarów. Baterie do pojazdów elektrycznych kosztują od 7 000 do 20 000 dolarów. Ceny spadły o około 88% w ciągu ostatnich 10 lat i nadal będą spadać.
Jakie są główne wady?
Czasami mogą się zapalić. Wskaźnik awaryjności jest bardzo niski, około dwóch do trzech bloków na milion. Są bardzo wrażliwe na ciepło, co przyspiesza ich degradację. Starzenie rozpoczyna się natychmiast po opuszczeniu fabryki. Przestoje nie zatrzymują procesu starzenia.
Czy istnieje lepsza technologia akumulatorów?
Jeszcze nie. Obecnie nie ma innej technologii akumulatorów, która mogłaby konkurować z akumulatorami litowo-jonowymi. Osiągana jest większa gęstość energii. Obsługuje wiele cykli. Ładuje się szybciej. W wielu przypadkach są one bezpieczniejsze w użyciu niż ich alternatywy.
