Un elemento chiave della mobilità dei dispositivi elettronici è la batteria ricaricabile (ACB). Le crescenti richieste di garantire la loro più lunga autonomia stimolano la ricerca continua in questo settore e portano all'emergere di nuove soluzioni tecnologiche.
Le batterie al nichel-cadmio (Ni-Cd) e al nichel-metallo idruro (Ni-MH) ampiamente utilizzate hanno un'alternativa: prima le batterie al litio e poi le batterie agli ioni di litio (Li-ion) più avanzate.
Contenuto
Storia dell'apparenza
Le prime batterie di questo tipo sono apparse negli anni '70. l'ultimo secolo. Hanno immediatamente guadagnato la domanda grazie alle caratteristiche più avanzate. L'anodo degli elementi era costituito da litio metallico, le cui proprietà consentivano di aumentare l'energia specifica. Così sono nate le batterie al litio.
Le nuove batterie presentavano uno svantaggio significativo: un aumento del rischio di esplosione e accensione.Il motivo risiedeva nella formazione di un film di litio sulla superficie dell'elettrodo, che ha portato a una violazione della stabilità della temperatura. Al momento del massimo carico, la batteria potrebbe esplodere.
Il perfezionamento della tecnologia ha portato all'abbandono del litio puro nei componenti della batteria a favore dell'utilizzo dei suoi ioni caricati positivamente. La batteria agli ioni di litio si è rivelata una buona soluzione.
Questo tipo di batteria agli ioni è caratterizzata da una maggiore sicurezza, che si ottiene a scapito di una leggera diminuzione della densità di energia, ma il costante progresso tecnologico ha permesso di ridurre al minimo la perdita di questo indicatore.
Dispositivo
L'introduzione delle batterie agli ioni di litio nell'industria dell'elettronica di consumo ha ricevuto una svolta dopo lo sviluppo di una batteria con un catodo in materiale di carbonio (grafite) e un anodo di ossido di cobalto.
Nel processo di scarica della batteria, gli ioni di litio vengono rimossi dal materiale del catodo e sono inclusi nell'ossido di cobalto dell'elettrodo opposto; durante la carica, il processo procede nella direzione opposta. Pertanto, gli ioni di litio creano una corrente elettrica, spostandosi da un elettrodo all'altro.
Le batterie agli ioni di litio sono prodotte in versione cilindrica e prismatica. In una struttura cilindrica, due nastri di elettrodi piatti, separati da un materiale impregnato di elettrolita, vengono arrotolati e posti in una custodia metallica sigillata. Il materiale del catodo viene depositato su un foglio di alluminio e il materiale dell'anodo viene depositato su un foglio di rame.
Un design prismatico della batteria si ottiene impilando piastre rettangolari una sopra l'altra. Questa forma della batteria consente di rendere più denso il layout del dispositivo elettronico. Vengono prodotte anche batterie prismatiche con elettrodi arrotolati attorcigliati a spirale.
Funzionamento e vita di servizio
Se si osservano le regole operative, è possibile un funzionamento lungo, completo e sicuro delle batterie agli ioni di litio, il loro mancato rispetto non solo riduce la vita del prodotto, ma può portare a conseguenze negative.
Sfruttamento
Il requisito fondamentale per il funzionamento delle batterie agli ioni di litio riguarda la temperatura: il surriscaldamento non dovrebbe essere consentito. Le alte temperature possono causare il massimo danno e la causa del surriscaldamento può essere sia una fonte esterna che modalità stressanti di carica e scarica della batteria.
Ad esempio, il riscaldamento fino a 45°C porta a una diminuzione della capacità di mantenere la carica della batteria di 2 volte. Questa temperatura è facilmente raggiungibile quando il dispositivo è esposto al sole per lungo tempo o quando si eseguono applicazioni ad alta intensità energetica.
Se il prodotto si surriscalda, si consiglia di riporlo in un luogo fresco, è meglio spegnerlo e rimuovere la batteria.
Per ottenere le migliori prestazioni della batteria nella calura estiva, dovresti utilizzare la modalità di risparmio energetico, disponibile sulla maggior parte dei dispositivi mobili.
Le basse temperature hanno anche un effetto negativo sulle batterie agli ioni; a temperature inferiori a -4°C, la batteria non è più in grado di fornire la piena potenza.
Ma il freddo non è dannoso per le batterie agli ioni di litio quanto le alte temperature e molto spesso non causa danni permanenti. Nonostante il fatto che dopo il riscaldamento a temperatura ambiente, le proprietà di lavoro della batteria siano completamente ripristinate, non dovresti dimenticare la diminuzione della capacità al freddo.
Un'altra raccomandazione per l'uso delle batterie agli ioni di litio è di evitare che si scarichino completamente. Molte batterie di vecchia generazione avevano un effetto memoria che richiedeva di scaricarle a zero e quindi caricarle completamente.Le batterie agli ioni di litio non hanno questo effetto e casi isolati di scarica completa non portano a conseguenze negative, ma una scarica profonda costante è dannosa. Si consiglia di collegare il caricabatterie quando il livello di carica è del 30%.
Tutta la vita
Il funzionamento improprio delle batterie agli ioni di litio può ridurne la durata di 10-12 volte. Questo periodo dipende direttamente dal numero di cicli di ricarica. Si ritiene che le batterie di tipo agli ioni di litio possano resistere da 500 a 1000 cicli, tenendo conto della scarica completa. Una percentuale maggiore di carica residua prima della carica successiva aumenta notevolmente la durata della batteria.
Poiché la durata della batteria agli ioni di litio è in gran parte determinata dalle condizioni operative, è impossibile fornire una durata di servizio esatta per queste batterie. In media, una batteria di questo tipo può durare 7-10 anni se vengono seguite le normative richieste.
Processo di ricarica
Durante la ricarica, evitare un collegamento troppo lungo della batteria al caricabatterie. Il normale funzionamento di una batteria agli ioni di litio avviene a una tensione non superiore a 3,6 V. Durante la carica i caricatori forniscono 4,2 V all'ingresso della batteria.Se viene superato il tempo di carica, possono iniziare reazioni elettrochimiche indesiderate nella batteria, che provocheranno il surriscaldamento con tutte le conseguenze che ne conseguono.
Gli sviluppatori hanno tenuto conto di tale caratteristica: la sicurezza della carica delle moderne batterie agli ioni di litio è controllata da uno speciale dispositivo integrato che interrompe il processo di ricarica quando la tensione supera il livello consentito.
Per le batterie al litio, il metodo di ricarica a due stadi è corretto.Nella prima fase, la batteria deve essere caricata, fornendo una corrente di carica costante, la seconda fase deve essere eseguita con una tensione costante e una graduale diminuzione della corrente di carica. Tale algoritmo è implementato nell'hardware nella maggior parte dei caricabatterie domestici.
Stoccaggio e smaltimento
Una batteria agli ioni di litio può essere conservata a lungo, l'autoscarica è del 10-20% all'anno. Ma allo stesso tempo si verifica una graduale diminuzione delle caratteristiche del prodotto (degradazione).
Si consiglia di conservare tali batterie in un luogo protetto dall'umidità, a una temperatura di +5 ... + 25 ° С. Forti vibrazioni, urti e vicinanza a fiamme libere sono inaccettabili.
Il processo di riciclaggio delle celle agli ioni di litio deve essere effettuato presso aziende specializzate che dispongono della licenza appropriata. Circa l'80% dei materiali delle batterie riciclate può essere riutilizzato nella produzione di nuove batterie.
Sicurezza
Una batteria agli ioni di litio, anche di dimensioni minime, è irta del rischio di combustione spontanea esplosiva. Questa caratteristica di questo tipo di batteria richiede il rispetto delle misure di sicurezza in tutte le fasi, dallo sviluppo alla produzione e allo stoccaggio.
Per migliorare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio durante la produzione, nella loro custodia viene inserita una piccola scheda elettronica, un sistema di monitoraggio e controllo progettato per eliminare sovraccarichi e surriscaldamento. Un meccanismo elettronico aumenta la resistenza del circuito quando la temperatura sale al di sopra di un limite predeterminato. Alcuni modelli di batteria hanno un interruttore meccanico integrato che interrompe il circuito quando la pressione all'interno della batteria aumenta.
Inoltre, nelle custodie delle batterie viene spesso installata una valvola di sicurezza per scaricare la pressione in caso di emergenza.
Pro e contro delle batterie al litio
I vantaggi di questo tipo di batteria sono:
- alta densità di energia;
- nessun effetto memoria;
- lunga durata;
- basso tasso di autoscarica;
- nessuna necessità di manutenzione;
- garantendo parametri operativi costanti in un intervallo di temperatura relativamente ampio.
Ha una batteria al litio e gli svantaggi, questi sono:
- rischio di combustione spontanea;
- costo più elevato rispetto ai suoi predecessori;
- la necessità di un controller integrato;
- indesiderabilità di una scarica profonda.
Le tecnologie per la produzione di batterie agli ioni di litio vengono costantemente migliorate, molte carenze stanno gradualmente diventando un ricordo del passato.
Area di applicazione
L'elevata densità di energia delle batterie agli ioni di litio determina la loro principale area di applicazione: dispositivi elettronici mobili: laptop, tablet, smartphone, videocamere, fotocamere, sistemi di navigazione, vari sensori integrati e una serie di altri prodotti.
L'esistenza di un fattore di forma cilindrico di queste batterie consente loro di essere utilizzate in torce elettriche, telefoni fissi e altri dispositivi che in precedenza consumavano energia da batterie usa e getta.
Il principio degli ioni di litio per la costruzione di una batteria ha diverse varietà, i tipi differiscono per il tipo di materiali utilizzati (litio-cobalto, litio-manganese, litio-nichel-manganese-ossido di cobalto, ecc.). Ognuno di loro ha il suo ambito.
Oltre all'elettronica mobile, un gruppo di batterie agli ioni di litio viene utilizzato nelle seguenti aree:
- utensili elettrici portatili;
- apparecchiature mediche portatili;
- gruppi di continuità;
- sistemi di sicurezza;
- moduli di illuminazione di emergenza;
- centrali solari;
- veicoli elettrici e biciclette elettriche.
Considerando il costante miglioramento della tecnologia agli ioni di litio e il successo nella creazione di batterie ad alta capacità con dimensioni ridotte, è possibile prevedere l'espansione delle applicazioni per tali batterie.
Marcatura
I parametri delle batterie agli ioni di litio sono stampati sulla scocca del prodotto, mentre la codifica utilizzata può differire notevolmente per le diverse dimensioni. Non è stato ancora sviluppato un unico standard di etichettatura delle batterie per tutti i produttori, ma è ancora possibile determinare autonomamente i parametri più importanti.
Le lettere nella linea di marcatura indicano il tipo di cella e i materiali utilizzati: la prima lettera I indica la tecnologia agli ioni di litio, la lettera successiva (C, M, F o N) specifica la composizione chimica, la terza lettera R indica che il cella è ricaricabile (ricaricabile).
I numeri nel nome della dimensione indicano la dimensione della batteria in millimetri: i primi due numeri sono il diametro e gli altri due sono la lunghezza. Ad esempio, 18650 indica un diametro di 18 mm e una lunghezza di 65 mm, 0 indica un fattore di forma cilindrico.
Le ultime lettere e numeri della serie sono i contrassegni del contenitore specifici per ciascun produttore. Non ci sono nemmeno standard uniformi per indicare la data di produzione.
