Ogniwa litowe

Patrząc przez pryzmat historii elektroniki, a ściślej, magazynowania energii elektrycznej, ogniwa litowe są stosunkowo świeżym produktem. Powstałe w roku 1991, niemal 150 lat po wynalezieniu baterii kwasowo-ołowiowej, mające zastosowanie w sprzętach elektrycznych, pojazdach elektrycznych, stacjonarnych magazynach energii, pomimo szeregu zalet, posiadają również znaczącą wadę – przy nieodpowiednim użytkowaniu, mogą być bardzo niebezpieczne.
W niniejszym artykule, skupimy się na podstawowych informacjach na temat ogniw opartych o lit, na ich specyfikacji, zastosowaniu, żywotności oraz niebezpieczeństwach związanych z ich użytkowaniem. Z artykułu dowiecie się Państwo, czego nie robić z akumulatorami, aby posłużyły one jak najdłużej.

Podstawowe informacje
Zasada działania baterii opisana została w artykule, przed zapoznaniem się z podstawowymi informacjami o ogniwach litowych, warto poznać zasadę działania baterii. Niezależnie od rodzaju ogniwa litowego (Li-Ion, Li-Po, LiFePo4 itd.) energia magazynowana jest dzięki ruchowi dodatnich jonów litu. Od typu ogniwa zależne jest jednak jego napięcie znamionowe, i tak, dla ogniw Li-ion wynosi ono przeważnie 3,6V, dla standardowych li-po 3,7V, dla LiFePo4 3,3V. Wartości napięć znamionowych, napięcia rozładowania oraz ładowania mogą się różnić nawet dla baterii jednego typu, w związku z tym, przed wykorzystaniem ogniwa w projekcie bądź przed rozpoczęciem ładowania go, najrozsądniej będzie zweryfikować wartości w karcie katalogowej. Jeśli już przy niej jesteśmy, warto przedstawić najważniejsze parametry poza wymienionymi wyżej napięciami, które warto sprawdzić przed aplikacją ogniwa w naszym projekcie/urządzeniu. Są to:

  • Pojemność ogniwa – producenci najczęściej podają ja w dwóch wartościach, jako pojemność standardową oraz jako pojemność minimalną.
  • Standardowe ładowanie – prąd ładowania najbezpieczniejszy dla ogniwa.
  • Szybkie ładowanie – prąd szybkiego ładowania/dopuszczalny maksymalny prąd ładowania, może być zdefiniowany jako wielokrotność C (pojemności). Dla przykładu ogniwo o pojemności 2000mAh i deklarowanym maksymalnym prądzie ładowania 1C, może być ładowane maksymalnie prądem 2A.
  • Napięcie odcięcia rozładowywania – napięcie do jakiego bezpiecznie mogą być rozładowywane ogniwa.
  • Cykl życia – ilość cykli jaką powinno ‘przeżyć’ ogniwo w określonych parametrach środowiskowych i elektrycznych.
  • Parametry mechaniczne – waga, wymiary.
  • Temperatury pracy oraz przechowywania.

Specyfikacja deklarowana przez producentów musi być obligatoryjnie przestrzegana, tu nie ma taryfy ulgowej. W dalszej części artykułu omówimy co może się stać, przy nie stosowaniu się do dopuszczalnych prądów ładowania/rozładowywania lub przekraczaniu napięcia ładowania. Dokończmy jednak jeszcze bieżący temat.
Ogniwa mogą być pakietowane, tj. łączone szeregowo by zwiększyć napięcie wypadkowe i/lub równolegle w celu zwiększenia wydajności prądowej oraz pojemności. Łączenie ogniw pozwala na stworzenie różnych pakietów, ich wielkość oraz zastosowanie jest ograniczone jedynie przez fantazje projektanta (oraz parametry pojedynczych ogniw). Przykładowo bateria litowo-jonowa do wkrętarki akumulatorowej posiada pakiet bateryjny o pojemności 3000mAh oraz napięciu znamionowym 18V. Znając znamionowe napięcie zastosowanego w niej ogniwa li-ion (3,6V) oraz jego pojemność (1500mAh) wiemy, że aby powstał pakiet, potrzebujemy 10 takich ogniw. Skąd to wiemy? 18V/3,6V=5 (ogniw szeregowo) oraz 3000mAh/1500mAh=2 (ogniwa równolegle), zatem 5*2=10. Uzyskany pakiet to pakiet 5S2P, skróty S i P pochodzą od angielskich słów Serial – szeregowo oraz Parallel – równolegle.

Zastosowanie ogniw litowych
Ogniwa litowe maja zastosowanie wszędzie tam, gdzie jest zapotrzebowanie na niezależne źródło energii, które powinno być lekkie, jednocześnie gromadząc dużą ilość energii. Znajdują zatem zastosowanie w: elektronice użytkowej, elektronarzędziach, odkurzaczach, osobowych samochodach elektrycznych oraz hybrydowych, autobusach elektrycznych i innych mniejszych pojazdach z napędem elektrycznym, bankach energii, itp. Można by tak wymieniać bez końca.

Żywotność i jej przedłużenie
Na żywotność ogniw litowych, wpływ ma kilka czynników zależnych tak naprawdę od użytkownika. Poniżej kilka zasad, które warto zapamiętać.

  1. Nie należy rozładowywać ogniwa poniżej napięcia odcięcia wyszczególnionego w specyfikacji.
  2. Proces starzenia ogniw można spowolnić dzięki nierozładowywaniu baterii do końca.
  3. Przed dłuższym przechowywaniem ogniwa należy naładować (lub rozładować) do napięcia znamionowego.
  4. Szybkie ładowanie (wysoki prąd ładowania) to szybsze zdegradowanie żywotności baterii.
  5. Przechowywanie w temperaturze pokojowej w najmniejszym stopniu wpływa na degradację żywotności.
  6. Ładowanie ogniw do 85% pozwala dwukrotnie wydłużyć ich żywotność.

Bezpieczeństwo (i niebezpieczeństwo)
Jak wspomniano już wcześniej, niepoprawne użytkowanie ogniw litowych, może być niebezpieczne. Lecz co tak naprawdę może się wydarzyć? Najniebezpieczniejszym zagrożeniem wynikającym ze złego użytkowania ogniwa litowego, jest jego wybuch. Niestety, używane obecnie ogniwa litowo-jonowe, są jednymi z najniebezpieczniejszych ogniw. Ich przeładowanie bądź zwarcie, może doprowadzić do efektu zwanego ‘thermal runaway’, czyli lawinowego wzrostu temperatury ogniwa, niestabilności cieplnej. Warto nadmienić, że efekt niestabilności cieplnej pojawia się przy około 250 C, a kończy przy około 600, gdy z ogniwa uchodzi cała nagromadzona energia. Ogniwo które zaczęło już płonąć jest bardzo ciężkie do zgaszenia, nie wspominając o większych pakietach, które przez reakcje łańcuchową ‘dopalają’ się bardzo długo. Aby uniknąć takich sytuacji, należy stosować ładowarki dedykowane do poszczególnych typów ogniw litowych oraz zadbać o brak bliskiego kontaktu ogniwa z elementami metalowymi, bądź innymi, mogącymi spowodować zwarcie. Trzeba również pamiętać, że poza przeładowywaniem i zwarciem, ogniwa nie lubią także: przegrzewania, przechłodzenia, uderzeń, drgań, upadków z wysokości oraz zgniatania.
W przypadku pożaru ogniwa, przy braku odpowiednich środków gaśniczych (gaśnice aerozolowe, granulaty gaśnicze) można użyć wody. Duże jej ilości są w stanie ograniczyć pożar, poprzez chłodzenie ogniw, spowalniające reakcję łańcuchową.
Nadzór nad ogniwami litowymi pełni moduł BMS, jest to układ elektroniczny, który monitoruje napięcia ogniw, temperaturę, prądy ładowania. Przykładowo, jeśli któreś z ogniw naładuje się wcześniej niż pozostałe, układ BMS zatrzymuje ładowanie tego ogniwa, nie pozwalając na jego przeładowanie. Szczegółowemu opisowi działania modułu BMS poświęcimy osobny artykuł.

Podsumowanie
Stosując się do specyfikacji ogniw/urządzeń, jesteśmy w stanie ograniczyć prawdopodobieństwo pożaru do minimum. Sama świadomość jak niebezpieczne mogą być, powinna być bodźcem do odpowiedniego ich traktowania.

Dodaj komentarz

Filtered HTML

  • Adresy internetowe są automatycznie zamieniane w odnośniki, które można kliknąć.
  • Dozwolone znaczniki HTML: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd>
  • Znaki końca linii i akapitu dodawane są automatycznie.

Plain text

  • Znaczniki HTML niedozwolone.
  • Adresy internetowe są automatycznie zamieniane w odnośniki, które można kliknąć.
  • Znaki końca linii i akapitu dodawane są automatycznie.