Allt du behöver veta om li

Om inte någon Tony Stark går in och uppfinner ljusbågsreaktorn eller forskningen inom solenergisatelliter (SPS) för trådlös energiöverföring kommer igenom måste vi människor vara beroende av batterier för att driva våra bärbara eller fjärranslutna elektroniska enheter. Den vanligaste typen av uppladdningsbara batterier som du hittar i konsumentelektronik är antingen litiumjon eller litiumpolymer. I den här artikeln skulle vårt intresse vara över Li-ion-batterier eftersom de tenderar att vara mer användbara än alla andra typer. Var det en liten kraftbank eller en bärbar dator eller något så stort som Teslas nya modell 3 allt drivs av ett litiumjonbatteri.

Vad gör dessa batterier speciella? Vad ska du veta om det innan du använder en i dina projekt / design? Hur laddar du eller laddar ur dessa batterier säkert? Om du är nyfiken på att få svar på alla dessa frågor har du hamnat på rätt artikel, bara luta dig tillbaka och läsa igenom medan jag kommer att försöka hålla detta så intressant som möjligt.

Litiumjonbatterihistorik

Idén om litiumjonbatteri myntades först av GN Lewis 1912, men det blev genomförbart först på 1970-talet och det första icke-uppladdningsbara litiumbatteriet släpptes ut på kommersiella marknader. Senare på 1980-talet försökte ingenjörer att göra det första uppladdningsbara batteriet med litium som anodmaterial och var delvis framgångsrika. De märkte inte att dessa typer av litiumbatterier var instabila under laddningsprocessen och det skulle skapa en kortsida inuti batteriet som ökar temperaturen och orsakar en termisk utsläpp.

1991 exploderade ett sådant litiumbatteri som används i mobilen över en mans ansikte i Japan. Först efter denna händelse insåg man att Li-ion-batterier skulle hanteras med extrem försiktighet. Ett stort antal av dessa typer av batterier som fanns på marknaden återkallades sedan av tillverkarna på grund av säkerhetsfrågan. Senare efter mycket forskning introducerade Sony avancerade Li-ion-batterier med en ny kemi som används hittills. Låt oss avsluta historielektionerna här och titta på kemin i ett litiumjonbatteri.

Li-ion batterikemi och arbete

Som namnet självklart antyder använder litiumjonbatterierna litiumjonerna för att få jobbet gjort. Litium är en mycket lätt metall med hög energitäthet, den här egenskapen gör att batteriet kan vara lätt i vikt och ge hög ström med en liten formfaktor. Energitäthet är den mängd energi som kan lagras i per volymenhet av batteriet, ju högre energitäthet desto mindre blir batteriet. Trots litiummetallens överväldigande egenskaper kan den inte användas som en elektrod direkt i batterierna eftersom litium är mycket instabilt på grund av dess metalliska natur. Därför använder vi litiumjoner som mer eller mindre har samma egenskaper som en litiummetall men det är icke-metalliskt och är relativt säkrare att använda.

Normalt är anoden på ett litiumbatteri tillverkat av kol och batteriets katod är gjord med koboltoxid eller någon annan metalloxid. Elektrolyten som används för att ansluta dessa två elektroder kommer att vara en enkel saltlösning som innehåller litiumjoner. Vid urladdning rör sig de positivt laddade litiumjonerna mot katoden och bombarderar den tills den blir positivt laddad. Eftersom katoden är positivt laddad drar den nu negativt laddade elektroner mot den. Dessa elektroner får ström genom vår krets och därmed driver kretsen.

På samma sätt händer exakt motsatsen under laddning. Elektroner från laddningarna strömmar in i batteriet och därmed rör sig litiumjonerna mot anoden vilket gör att katoden tappar sin positiva laddning.

Introduktion till litiumjonbatterier

Nog med teori om litiumjonbatterier, låt oss nu praktiskt taget lära känna dessa celler så att vi kan vara säkra på dem för att använda den i våra projekt. Det vanligaste litiumjonbatteriet är 18650-cellerna, så kommer att diskutera ungefär detsamma i den här artikeln. En typisk 18650-cell visas i bilden nedan

Liksom alla batterier har Li-ion-batteriet också spänning och kapacitet. Nominell spänning för alla litiumceller är 3,6V, så du behöver högre spänningsspecifikation måste du kombinera två eller flera celler i serie för att uppnå det. Som standard har alla litiumjonceller en nominell spänning på endast ~ 3,6V. Denna spänning kan tillåtas gå upp till 3,2 V när den är helt urladdad och gå så hög som 4,2 V när den är fulladdad. Kom alltid ihåg att urladdning av batteriet under 3,2 V eller laddning över 4,2 V kommer att skada batteriet permanent och kan också bli ett recept för fyrverkerier. Låter oss dela upp terminologierna i ett 18650-batteri så att vi kan förstå bättre. Tänk på att dessa förklaringar endast är tillämpliga för en enda 18650-cell, vi kommer mer in i Li-ion-batteripaket senare, där mer än en cell är ansluten i serie eller parallellt för att få mycket högre spännings- och strömvärden.

Nominell spänning: Den nominella spänningen är den faktiska spänningen för en 18650-cell. Som standard är den 3,6V och kommer att förbli densamma för alla 18650-celler trots dess tillverkning.

Full urladdningsspänning: En 18650-cell bör aldrig tillåtas att urladdas under 3,2 V, om du inte gör det kommer det att förändra batteriets inre motstånd vilket skadar batteriet permanent och kan också leda till explosion

Fulladdningsspänning: Laddningsspänningen för litiumjonceller är 4,2V. Försiktighet bör iakttas så att cellspänningen inte ökar 4,2 V vid en viss tidpunkt.

mAh-klassificering: En cells kapacitet ges normalt i termer av mAh (Milli Ampere hour) -klassificering. Detta värde varierar beroende på vilken typ av cell du har köpt. Låt oss till exempel anta att vår cell här är 2000mAh vilket är ingenting annat än 2Ah (Ampere / timme). Det betyder att om vi drar 2A från detta batteri kommer det att hålla i 1 timme och på liknande sätt om vi drar 1A från detta batteri kommer det att hålla i 2 timmar. Så om du vill veta hur länge batteriet kommer att driva dig (Run-time) måste du beräkna det med mAh Rating.

Körtid (i timmar) = Strömritad / mAh-klassning

Där bör strömsträckningen ligga inom C-klassningsgränsen.

C-betyg: Om du någonsin undrat vad som är den maximala strömmen du kan dra från ett batteri kan ditt svar fås från batteriets C-betyg. Batteriets C-betyg ändras igen för varje batteri, låt oss anta att batteriet vi har är ett 2Ah-batteri med 3C-betyg. Värdet 3C betyder att batteriet kan mata ut tre gånger det nominella Ah-värdet som sin maximala ström. I detta fall kan den leverera upp till 6A (3 * 2 = 6) som maximal ström. Normalt har 18650 celler endast 1C-betyg.

Maximal ström från batteri = C Betyg * Ah Betyg

Laddningsström: En annan viktig specifikation för ett batteri att märka är dess laddningsström. Bara för att ett batteri kan leverera en maximal ström på 6A betyder det inte att det kan laddas med 6A. Den maximala laddningsströmmen för ett batteri kommer att nämnas i databladet för batteriet eftersom det varierar beroende på batteriet. Normalt blir den 0,5 ° C, vilket betyder hälften av Ah-värdet. För ett 2Ah-batteri är laddningsströmmen 1A (0,5 * 2 = 1).

Laddningstid: Den lägsta laddningstiden som krävs för en enda 18650-cell att ladda till kan beräknas med hjälp av värdet på laddningsströmmen och Ah-batteriets betyg. Till exempel tar en 2Ah-batteriladdning med 1A laddningsström cirka 2 timmar att ladda, förutsatt att laddaren endast använder CC-metoden för att ladda cellen.

Internt motstånd (IR): Ett batteris hälsa och kapacitet kan förutsägas genom att mäta batteriets inre motstånd. Detta är ingenting annat än värdet på motståndet mellan batteriets anod (positiva) och katod (negativa) poler. Det typiska värdet av IR för en cell kommer att nämnas i databladet. Ju mer det avviker från det verkliga värdet desto mindre effektivt blir batteriet. Värdet på IR för en 18650-cell ligger inom intervallet milliohm och det finns särskilda instrument för att mäta IR-värdet.

Laddningsmetoder: Det finns många metoder som används för att ladda en li-joncell. Men det mest använda är 3-stegstopologin. De tre stegen är CC, CV och sippelladdning. I CC- läge (konstant ström) laddas cellen med en konstant laddningsström genom att variera ingångsspänningen. Detta läge är aktivt tills batteriet laddas till en viss nivå, sedan CV (konstant spänning)läget startar där laddningsspänningen upprätthålls vanligtvis vid 4,2 V. Det slutgiltiga läget är pulsladdning eller sippelladdning där små pulser överförs till batteriet för att förbättra batteriets livscykel. Det finns också mycket mer komplexa laddare med 7-stegs laddning. Vi kommer inte att gå mycket djupt in i detta ämne eftersom det ligger långt utanför denna artikel. Men om du är intresserad av att veta omnämnande i kommentarsektionen och får jag skriva en separat artikel om laddning av Li-ion-celler.

Laddningstillstånd (SOC)%: Laddningstillståndet är ingenting annat än batteriets kapacitet, liknande den som visas i vår mobiltelefon. Batteriets kapacitet kan inte beräknas med sin spänningsventil, det beräknas normalt med hjälp av strömintegrering för att bestämma förändringen i batterikapaciteten över tiden.

Avladdningsdjup (DOD)%: Hur långt batteriet kan laddas ur ges av DOD. Inget batteri har 100% urladdning eftersom som vi vet kommer det att skada batteriet. Normalt är 80% urladdningsdjup inställt för alla batterier.

Celldimension: En annan unik och intressant egenskap hos 18650-cellen är dess dimension. Varje cell kommer att ha en diameter på 18 mm och en höjd på 650 mm vilket gör att denna cell får sitt namn 18650.

Om du vill ha fler terminologidefinitioner, titta på dokumentationen för MIT-batteriterminologier, där du är säker på att hitta fler tekniska parametrar relaterade till ett batteri.

Enklaste sättet att använda en 18650-cell

Om du är en nybörjare och precis har börjat med 18650 celler för att driva ditt projekt, är det enklaste sättet att använda färdiga moduler som säkert kan ladda och urladda dina 18650-celler. Endast en sådan modul är TP4056-modulen som kan hantera en enda 18650-cell.

Om du kräver mer än 3,6 V som ingångsspänning, kanske du vill kombinera två 18650 celler i serie för att få en spänning på 7,4 V. I sådana fall bör en modul som 2S 3A Li-ion-batterimodul vara användbar vid laddning och urladdning av batterierna på ett säkert sätt.

För att kombinera två eller flera 18650 celler kan vi inte använda konventionell lödteknik för att skapa koppling mellan båda istället används en process som kallas punktsvetsning. Även när man kombinerar 18650 celler i serie eller parallellt bör man vara mer försiktig, vilket diskuteras i följande stycke.

Li-ion batteripaket (celler i serie och parallellt)

För att driva liten bärbar elektronik eller små enheter skulle en enda 18650-cell eller högst ett par av dem i serie göra tricket. I denna typ av applikation är komplexiteten mindre eftersom antalet inblandade batterier är mindre. Men för större applikationer som en elektrisk cykel / moped eller en Tesla-bil måste vi ansluta många av dessa celler i serie och parallellt för att uppnå önskad utspänning och kapacitet. Till exempel innehåller Tesla-bilen över 6800 litiumceller med vardera 3,7 V och 3,1 Ah. Bilden nedan visar hur den är ordnad inuti bilens chassi.

Med så många celler att övervaka behöver vi en dedikerad krets som bara kan ladda, övervaka och urladda dessa celler säkert. Detta dedikerade system kallas ett batteriövervakningssystem (BMS). Uppdraget för BMS är att övervaka den enskilda cellspänningen för varje litiumjoncell och även kontrollera dess temperatur. Bortsett från det övervakar vissa BMS också systemets laddnings- och urladdningsström.

När man kombinerar mer än två celler för att bilda en förpackning, bör man se till att de har samma kemi, spänning, Ah-klassning och intern resistans. Även vid laddning av cellerna ser BMS till att de laddas jämnt och urladdas jämnt så att alla batterier vid varje given tidpunkt håller samma spänning, detta kallas en Cellbalansering. Bortsett från detta måste designern också oroa sig för att kyla dessa batterier under laddning och urladdning eftersom de inte svarar bra vid höga temperaturer.

Hoppas att den här artikeln har gett dig tillräckligt med information för att du ska kunna vara lite säker på Li-ion-celler. Om du har några specifika tvivel är du välkommen att lämna kommentaren och jag kommer att göra mitt bästa för att svara tillbaka. Fram till dess glatt tinkering.