ما هي بطارية ليثيوم أيون - الجهاز والأنواع

تعد البطارية القابلة لإعادة الشحن (ACB) عنصرًا أساسيًا في تنقل الأجهزة الإلكترونية. تؤدي الطلبات المتزايدة لضمان أطول فترة حكم ذاتي إلى تحفيز البحث المستمر في هذا المجال وتؤدي إلى ظهور حلول تكنولوجية جديدة.

تحتوي بطاريات النيكل والكادميوم المستخدمة على نطاق واسع (Ni-Cd) وهيدريد معدن النيكل (Ni-MH) على بديل - بطاريات الليثيوم الأولى ، ثم بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) الأكثر تقدمًا.

تاريخ المظهر

ظهرت أولى البطاريات في السبعينيات. القرن الماضي. اكتسبوا الطلب على الفور بسبب الخصائص الأكثر تقدمًا. تم صنع أنود العناصر من الليثيوم المعدني ، وخصائصه جعلت من الممكن زيادة الطاقة المحددة. هكذا ولدت بطاريات الليثيوم.

كان للبطاريات الجديدة عيب كبير - زيادة خطر الانفجار والاشتعال.يكمن السبب في تكوين طبقة من الليثيوم على سطح القطب ، مما أدى إلى انتهاك استقرار درجة الحرارة. في لحظة الحمل الأقصى ، يمكن أن تنفجر البطارية.

أدى صقل التكنولوجيا إلى التخلي عن الليثيوم النقي في مكونات البطارية لصالح استخدام أيوناته موجبة الشحنة. أثبتت بطارية الليثيوم أيون أنها حل جيد.

يتميز هذا النوع من البطاريات الأيونية بأمان أعلى ، والذي يتم الحصول عليه على حساب انخفاض طفيف في كثافة الطاقة ، ولكن التقدم التكنولوجي المستمر جعل من الممكن تقليل الخسارة في هذا المؤشر إلى الحد الأدنى.

جهاز

تلقى إدخال بطاريات الليثيوم أيون في صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية طفرة بعد تطوير بطارية بها كاثود من مادة الكربون (الجرافيت) وأنود أكسيد الكوبالت.

في عملية تفريغ البطارية ، تتم إزالة أيونات الليثيوم من مادة الكاثود ويتم تضمينها في أكسيد الكوبالت في القطب المعاكس ؛ عند الشحن ، تستمر العملية في الاتجاه المعاكس. وهكذا ، تخلق أيونات الليثيوم تيارًا كهربائيًا ينتقل من قطب كهربائي إلى آخر.

يتم إنتاج بطاريات Li-Ion في إصدارات أسطوانية ومنشورية. في هيكل أسطواني ، يتم لف شريطين من الأقطاب الكهربائية المسطحة ، مفصولة بمادة مشبعة بالكهرباء ، ووضعها في علبة معدنية محكمة الغلق. يتم ترسيب مادة الكاثود على رقائق الألومنيوم ، ويتم ترسيب مادة الأنود على رقائق النحاس.

يتم الحصول على تصميم موشوري للبطارية عن طريق تكديس الألواح المستطيلة فوق بعضها البعض. يجعل شكل البطارية هذا من الممكن جعل تصميم الجهاز الإلكتروني أكثر كثافة. يتم أيضًا إنتاج البطاريات المنشورية ذات الأقطاب الكهربائية الملفوفة الملتوية في لولب.

عمر التشغيل والخدمة

يمكن التشغيل الطويل والكامل والآمن لبطاريات الليثيوم أيون في حالة مراعاة قواعد التشغيل ، ولن يؤدي إهمالها إلى تقصير عمر المنتج فحسب ، بل قد يؤدي إلى عواقب سلبية.

استغلال

يتعلق المطلب الرئيسي لتشغيل بطاريات Li-Ion بدرجة الحرارة - لا ينبغي السماح بارتفاع درجة الحرارة. يمكن أن تسبب درجات الحرارة المرتفعة أقصى ضرر ، ويمكن أن يكون سبب ارتفاع درجة الحرارة مصدرًا خارجيًا وأنماط مرهقة لشحن البطارية وتفريغها.

على سبيل المثال ، يؤدي التسخين حتى 45 درجة مئوية إلى انخفاض القدرة على الاحتفاظ بشحن البطارية مرتين. يمكن الوصول إلى درجة الحرارة هذه بسهولة عندما يتعرض الجهاز لأشعة الشمس لفترة طويلة أو عند تشغيل تطبيقات كثيفة الاستهلاك للطاقة.

في حالة ارتفاع درجة حرارة المنتج ، يوصى بوضعه في مكان بارد ، فمن الأفضل إيقاف تشغيله وإزالة البطارية.

للحصول على أفضل أداء للبطارية في حرارة الصيف ، يجب استخدام وضع توفير الطاقة المتوفر في معظم الأجهزة المحمولة.

درجات الحرارة المنخفضة أيضًا لها تأثير سلبي على البطاريات الأيونية ؛ في درجات حرارة أقل من -4 درجة مئوية ، لم تعد البطارية قادرة على توفير الطاقة الكاملة.

لكن البرودة ليست ضارة ببطاريات Li-Ion مثل درجات الحرارة المرتفعة ، وغالبًا لا تسبب ضررًا دائمًا. على الرغم من حقيقة أنه بعد التسخين إلى درجة حرارة الغرفة ، يتم استعادة خصائص عمل البطارية تمامًا ، يجب ألا تنسى انخفاض السعة في البرد.

توصية أخرى لاستخدام بطاريات Li-Ion هي منع تفريغها بعمق. كان للعديد من بطاريات الجيل الأقدم تأثير على الذاكرة يتطلب تفريغها إلى الصفر ثم شحنها بالكامل.ليس لبطاريات Li-Ion هذا التأثير ، ولا تؤدي حالات التفريغ الكامل المعزولة إلى عواقب سلبية ، ولكن التفريغ العميق المستمر ضار. يوصى بتوصيل الشاحن عندما يكون مستوى الشحن 30٪.

حياة

يمكن أن يؤدي التشغيل غير السليم لبطاريات Li-Ion إلى تقليل عمر الخدمة بمقدار 10-12 مرة. تعتمد هذه الفترة بشكل مباشر على عدد دورات الشحن. يُعتقد أن بطاريات Li-Ion من النوع يمكنها تحمل 500 إلى 1000 دورة ، مع مراعاة التفريغ الكامل. تؤدي النسبة المئوية الأعلى من الشحن المتبقي قبل الشحن التالي إلى زيادة عمر البطارية بشكل كبير.

نظرًا لأن مدة عمر بطارية Li-Ion يتم تحديدها إلى حد كبير من خلال ظروف التشغيل ، فمن المستحيل إعطاء عمر خدمة دقيق لهذه البطاريات. في المتوسط ​​، من المتوقع أن تدوم بطارية من هذا النوع من 7 إلى 10 سنوات إذا تم اتباع اللوائح المطلوبة.

عملية الشحن

عند الشحن ، تجنب التوصيل المفرط للبطارية بالشاحن. يحدث التشغيل العادي لبطارية ليثيوم أيون بجهد لا يتجاوز 3.6 فولت ، حيث توفر أجهزة الشحن 4.2 فولت لمدخل البطارية أثناء الشحن.إذا تم تجاوز وقت الشحن ، فقد تبدأ التفاعلات الكهروكيميائية غير المرغوب فيها في البطارية ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة مع كل العواقب المترتبة على ذلك.

أخذ المطورون في الاعتبار هذه الميزة - يتم التحكم في سلامة شحن بطاريات Li-Ion الحديثة بواسطة جهاز مدمج خاص يوقف عملية الشحن عندما يرتفع الجهد فوق المستوى المسموح به.

بالنسبة لبطاريات الليثيوم ، فإن طريقة الشحن ذات المرحلتين صحيحة.في المرحلة الأولى ، يجب شحن البطارية ، مع توفير تيار شحن ثابت ، ويجب تنفيذ المرحلة الثانية بجهد ثابت وانخفاض تدريجي في تيار الشحن. يتم تنفيذ مثل هذه الخوارزمية في الأجهزة في معظم أجهزة الشحن المنزلية.

التخزين والتخلص

يمكن تخزين بطارية ليثيوم أيون لفترة طويلة ، والتفريغ الذاتي هو 10-20٪ في السنة. ولكن في الوقت نفسه ، يحدث انخفاض تدريجي في خصائص المنتج (التدهور).

يوصى بتخزين هذه البطاريات في مكان محمي من الرطوبة ، عند درجة حرارة +5 ... + 25 درجة مئوية. الاهتزازات القوية والتأثيرات والقرب من اللهب المكشوف أمر غير مقبول.

يجب إجراء عملية إعادة تدوير خلايا أيونات الليثيوم في مؤسسات متخصصة لديها الترخيص المناسب. يمكن إعادة استخدام حوالي 80٪ من مواد البطاريات المعاد تدويرها في تصنيع بطاريات جديدة.

أمان

إن بطارية الليثيوم أيون ، حتى لو كانت صغيرة الحجم ، محفوفة بخطر الاحتراق التلقائي المتفجر. تتطلب هذه الميزة لهذا النوع من البطاريات الامتثال لتدابير السلامة في جميع المراحل ، من التطوير إلى الإنتاج والتخزين.

لتحسين سلامة بطاريات Li-Ion أثناء التصنيع ، يتم وضع لوحة إلكترونية صغيرة في علبتها - نظام مراقبة وتحكم مصمم للتخلص من الأحمال الزائدة والسخونة الزائدة. تزيد الآلية الإلكترونية من مقاومة الدائرة عندما ترتفع درجة الحرارة فوق حد محدد مسبقًا. تحتوي بعض طرز البطاريات على مفتاح ميكانيكي مدمج يقطع الدائرة عندما يرتفع الضغط داخل البطارية.

أيضًا ، غالبًا ما يتم تثبيت صمام أمان في حالات البطارية لتخفيف الضغط في حالة الطوارئ.

إيجابيات وسلبيات بطاريات الليثيوم

مزايا هذا النوع من البطاريات هي:

• كثافة طاقة عالية
• لا يوجد تأثير الذاكرة
• عمر خدمة طويل
• معدل التفريغ الذاتي المنخفض
• لا حاجة للصيانة
• ضمان معلمات تشغيل ثابتة على مدى درجة حرارة واسعة نسبيًا.

بطارية الليثيوم لها عيوبها وهي:

• خطر الاحتراق التلقائي
• تكلفة أعلى من سابقاتها ؛
• الحاجة إلى وحدة تحكم مدمجة ؛
• عدم الرغبة في التفريغ العميق.

يتم تحسين تقنيات إنتاج بطاريات Li-Ion باستمرار ، وأصبحت العديد من أوجه القصور شيئًا من الماضي.

منطقة التطبيق

تحدد كثافة الطاقة العالية لبطاريات الليثيوم أيون مجال تطبيقها الرئيسي - الأجهزة الإلكترونية المحمولة: أجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والهواتف الذكية وكاميرات الفيديو والكاميرات وأنظمة الملاحة والعديد من أجهزة الاستشعار المدمجة وعدد من المنتجات الأخرى.

يسمح وجود عامل الشكل الأسطواني لهذه البطاريات باستخدامها في المصابيح الكهربائية والهواتف الأرضية وغيرها من الأجهزة التي كانت تستهلك سابقًا الطاقة من البطاريات التي تستخدم لمرة واحدة.

مبدأ الليثيوم أيون لبناء بطارية له عدة أنواع ، تختلف الأنواع في نوع المواد المستخدمة (الليثيوم - الكوبالت ، الليثيوم - المنغنيز ، الليثيوم - النيكل - المنغنيز - أكسيد الكوبالت ، إلخ). كل واحد منهم له نطاقه الخاص.

بالإضافة إلى الأجهزة الإلكترونية المحمولة ، يتم استخدام مجموعة من بطاريات الليثيوم أيون في المجالات التالية:

• أدوات كهربائية يدوية
• معدات طبية محمولة
• إمدادات طاقة غير منقطعة؛
• انظمة حماية؛
• وحدات إضاءة الطوارئ
• محطات تعمل بالطاقة الشمسية
• السيارات الكهربائية والدراجات الكهربائية.

بالنظر إلى التحسين المستمر لتكنولوجيا الليثيوم أيون والنجاح في إنشاء بطاريات عالية السعة بأحجام صغيرة ، من الممكن التنبؤ بتوسيع تطبيقات هذه البطاريات.

العلامات

تتم طباعة معلمات بطاريات الليثيوم أيون على جسم المنتج ، بينما قد يختلف الترميز المستخدم اختلافًا كبيرًا باختلاف الأحجام. لم يتم بعد تطوير معيار واحد لملصقات البطاريات لجميع الشركات المصنعة ، ولكن لا يزال من الممكن تحديد أهم المعلمات بنفسك.

تشير الأحرف الموجودة في سطر التأشير إلى نوع الخلية والمواد المستخدمة: الحرف الأول I يعني تقنية أيونات الليثيوم ، والحرف التالي (C أو M أو F أو N) يحدد التركيب الكيميائي ، والحرف الثالث R يعني أن الخلية قابلة لإعادة الشحن (قابلة لإعادة الشحن).

تشير الأرقام الموجودة في اسم الحجم إلى حجم البطارية بالمليمترات: الرقمان الأولان هما القطر ، والرقمان الآخران هما الطول. على سبيل المثال ، يشير 18650 إلى قطر يبلغ 18 ملم وطول 65 ملم ، ويشير 0 إلى عامل الشكل الأسطواني.

الأحرف والأرقام الأخيرة في السلسلة هي علامات الحاوية الخاصة بكل مصنع. كما لا توجد معايير موحدة للإشارة إلى تاريخ الصنع.

مقالات مماثلة: