Kako pravilno napolniti litijevo baterijo

Litijske baterije so idealna rešitev za napajanje, saj se hitro polnijo in trajajo dlje kot tradicionalne svinčene baterije. Vendar lahko nepravilno polnjenje znatno skrajša njihovo življenjsko dobo.

Litijevih baterij ne smete polniti s hitrim polnjenjem, saj lahko poškoduje njihove celice, ker se iz njih izloči kovinski litij, kar jih lahko popolnoma uniči. Namesto tega jih je treba polniti, dokler ne dosežejo 1. stopnje nasičenja.

Elektroliti

Elektroliti so tekočine, ki se uporabljajo za prenos toka med elektrodami v litijevih baterijah in so lahko vodni ali na osnovi organskih topil, pri čemer prvi zagotavljajo večjo gostoto energije, vendar so bolj vnetljivi, medtem ko imajo elektroliti na osnovi organskih topil običajno manjšo hlapljivost, vendar so slabše zmogljivi; v zadnjem času potekajo raziskave za izboljšanje zmogljivosti elektrolitov, da bi dosegli višje ravni zmogljivosti.

Elektroliti so običajno sestavljeni iz litija, za popestritev pa so lahko dodani tudi drugi elementi. Njihovi ioni so z interkalacijo tesno povezani z anodo in katodo; ko se nabiti ioni s to metodo pritrdijo na elektrone v gostiteljskem materialu. Ko se baterija izprazni, se njeni ioni ponovno sprostijo in potujejo skozi elektrolit proti katodi, kjer sprostijo elektrone, ki tečejo po zunanjih žicah in se uporabljajo kot tok.

Litij-ionske baterije imajo visoko gostoto energije in jih je mogoče večkrat polniti. Danes jih najdemo v telefonih, digitalnih fotoaparatih in prenosnih računalnikih; vendar imajo te litij-ionske baterije nekaj pomembnih pomanjkljivosti, vključno s toplotno nestabilnostjo; če se na primer anoda pregreje, lahko nastane kisik, ki je vnetljiv - to velja tudi za razpadajoče katode, ki v procesu razpadanja proizvajajo kisik.

Raziskovalci z raziskavami novih elektrolitov napredujejo pri izboljšanju zmogljivosti litijevih baterij. Obstajata dve široki kategoriji elektrolitov: ionske tekočine in polimerni elektroliti. Ionski tekoči elektroliti so sestavljeni iz soli, raztopljenih v topilih, ki se razlikujejo po prevodnosti in stabilnosti napetosti glede na velikost kationskih in etrskih skupin, raztopljenih v njih, pri čemer imajo večji kationi in etrske skupine na splošno nižjo viskoznost in tališče kot njihovi kolegi.

Anoda

Grafit je idealen material za anodo v litijevih baterijah zaradi nizkih zahtev glede napetosti in zmogljivosti, visoke energijske gostote in sposobnosti interkalacije litijevih ionov, kar mu omogoča shranjevanje električnega naboja. Litijevi ioni se med polnjenjem premikajo od anode h katodi, med praznjenjem pa se vračajo nazaj in ustvarjajo električno energijo, ki napaja naprave, kot so mobilni telefoni ali vozila.

Za polnjenje litijevih baterij je treba uporabiti zunanji električni vir s previsoko napetostjo. To povzroči, da elektroni tečejo od pozitivne (pozitivno nabite) anode proti negativni katodi in prenašajo litijeve ione med elektrodama - elektrokemijsko polnjenje je tisto, kar omogoča tako učinkovito polnjenje litijevih baterij.

Anodni materiali v litijevih baterijah morajo biti skrbno zasnovani, da zagotavljajo visoko zmogljivost in dolgo življenjsko dobo cikla. Anoda mora shranjevati velike količine Li-ionov z minimalnim povečanjem prostornine, hkrati pa mora biti električno prevodna, da omogoča nemoten prehod Li-ionov skozi celico.

Anodni materiali morajo biti ne le varni in okoljsko trajnostni, ampak tudi stroškovno učinkoviti pri uporabi in zagotavljati zanesljivo delovanje dobavne verige. Zato se številna podjetja za anode in katode odločajo za reciklirane materiale; s tem se ne le zmanjšajo potrebe po surovinah, temveč se lahko prihranijo tudi proizvodni stroški!

Sprva je kovinski litij veljal za idealen anodni material za litijeve baterije zaradi visoke specifične energijske zmogljivosti in varnostnih pomislekov. Vendar so se raziskave sčasoma preusmerile na varnejše materiale, kot sta koks in grafit, ki nudita večjo stabilnost, hkrati pa imata manjšo kapaciteto - čeprav imata tudi ti snovi težave z nastajanjem dendritov.

Katoda

Katode so negativne elektrode v litijevi bateriji. Pri polnjenju zunanji tokokrog zagotavlja energijo, zaradi katere elektroni prehajajo s pozitivnih na negativne elektrode in sproščajo kemično energijo v obliki litijevih ionov, ki potujejo skozi elektrolit in se z interkalacijo vgradijo v katodo, pri čemer sproščajo električni naboj in se prosto gibljejo znotraj svojih celic.

V litijevih baterijah se za katode uporabljajo različne vrste katod. LiCoO2 s svojo manganovo spinelno strukturo, ki omogoča hitro praznjenje in polnjenje, ostaja najbolj priljubljena katoda, vendar ima nizko specifično energijo in krajšo življenjsko dobo v primerjavi z alternativnimi katodami, kot so nikelj-mangan-kobalt-grafit.

Znanstveniki so si prizadevali za povečanje zmogljivosti in napetosti LiCoO2 ter drugih katodnih materialov. Eden od pristopov vključuje združevanje LiCoO2 z drugimi materiali, kot je silicij, ki lahko absorbira 10-krat več litijevih ionov kot njegova prvotna oblika; vendar lahko ponavljajoče se vstavljanje/izvlečenje Li+ ionov v/iz silicija povzroči, da se v njem tvori nezaželen vmesnik trdnega elektrolita (SEI), kar zmanjšuje zmogljivost shranjevanja naboja in stabilnost katod pri ciklih.

Raziskovalna prizadevanja so trenutno usmerjena v izdelavo katodnega materiala z večjo specifično energijo od grafita, ki se uporablja v večini litij-ionskih baterij. Možne alternative vključujejo ogljikove saje, fluorofosfate in trde ogljikove hidrate - nekatera podjetja celo raziskujejo uporabo grafena (en atom debela plošča ogljika) tako za anode kot za katode.

Separator

Pri polnjenju in praznjenju baterij separator deluje kot tanka membrana med pozitivno in negativno elektrodo, ki omogoča prosto prehajanje litijevih ionov med pozitivno in negativno elektrodo, hkrati pa preprečuje nastajanje dendritov, ki bi lahko povzročili kratek stik ali vžig. Poleg tega je za vzdrževanje napetosti baterije v celotni življenjski dobi potreben ta bistveni del.

Separatorji za litij-ionske baterije morajo v idealnem primeru izpolnjevati več meril za doseganje optimalnega delovanja, na primer biti izjemno tanki, mehansko močni in električno izolirani, hkrati pa omogočati prenos ionov in sprejem elektrolita za zmanjšanje notranje upornosti celic. V praksi je ta ideal pogosto težko doseči; v boju proti tem težavam so bile uporabljene numerične študije za analizo morfoloških lastnosti separatorjev.

Da bi povečali energijsko gostoto baterije, je treba zmanjšati notranji upor in povečati zmogljivost. To je mogoče doseči s spreminjanjem morfologije separatorja s kemično modifikacijo, spreminjanjem površinske strukture ali geometrije.

Toplotne lastnosti separatorjev imajo ključno vlogo pri varnosti baterij, saj njihova oblika vpliva na stabilnost medfaz in vmesnik trdnega elektrolita (SEI). Poleg tega pomagajo preprečevati kratke stike med anodno in katodno elektrodo ter podaljšujejo življenjsko dobo baterije.

Karakterizacijo baterije lahko opravite z multimetrom ali osciloskopom, da ocenite zmogljivost polnjenja in praznjenja baterije. Zdrava baterija je zdrava, ko njena zmogljivost doseže 100% njene nazivne zmogljivosti; vendar se lahko ta pristop izkaže za netočnega, če je izpostavljena intenzivni uporabi; poleg tega lahko zanašanje zgolj na cikle za merjenje zdravja precenjuje ocene življenjske dobe.

Sistem za upravljanje baterij

Sistemi za upravljanje baterij (BMS) so bistveni sestavni deli akumulatorskih baterij, ki zagotavljajo varno delovanje v varnih mejah ter optimizirajo njihovo zmogljivost in življenjsko dobo. Sistemi BMS so sestavni del električnih vozil, sistemov za shranjevanje energije iz obnovljivih virov in prenosne elektronike ter so neprecenljivo sredstvo za podjetja, ki uporabljajo sončno ali vetrno energijo za zmanjšanje stroškov ali zmanjšanje neto ničelnih emisij.

Litij-ionske baterijske celice morajo delovati znotraj določenih napetostnih omejitev, da se čim bolj zmanjšajo poškodbe in podaljša njihova življenjska doba. Sistem BMS spremlja te celice, da zazna prenapetostne in prenizke napetosti ter uravnoveša celice v večceličnih baterijskih nizih, da bi nadomestil šibkejše celice, ki skrajšujejo življenjsko dobo baterije. Sistem za upravljanje akumulatorjev upravlja tudi temperaturo, da zagotovi idealno območje delovanja akumulatorja(-ev).

Pregrevanje in prekomerno polnjenje sta dva glavna vzroka za poškodbe litijevih baterijskih celic. Pri pregrevanju celic pride do kemičnih reakcij, pri katerih se sproščajo plini, ki uhajajo iz celic in jih lahko uničijo ter povzročijo nevarnost požara. Sistem za upravljanje baterij lahko zazna prenapetostne ravni in ustavi polnjenje celic, da se izogne težavam s pregrevanjem.

Sistemi BMS lahko ščitijo tudi pred notranjimi kratkimi stiki, tako da neprekinjeno spremljajo vsako celico baterijskega paketa in te podatke posredujejo v osrednjo nadzorno enoto. Upravljajo lahko tudi hladilne ventilatorje v električnih vozilih, da vzdržujejo stalno temperaturo paketa.

Sistem za upravljanje baterij mora vključevati algoritem za nadzor kontaktorjev, ki spremlja njihovo stanje in preprečuje prekomerno polnjenje ali praznjenje baterijskih celic ter prepoznava napake na kontaktorjih in po potrebi izklopi vire energije. Poleg tega mora tak sistem spremljati splošno stanje napolnjenosti (SoC), da ugotovi, kdaj je morda potrebno ponovno napolniti ali zamenjati baterijo; izračune SoC je mogoče opraviti s seštevanjem napetosti celic s tokom, ki vstopa v paket celic ali izstopa iz njega.