Lithiové baterie

V tomto článku se dozvíte o typech lithiových baterií, jejich výhodách a nevýhodách a také o pravidlech pro používání těchto baterií.

Trocha historie

První experimenty s vývojem lithiových baterií proběhly v roce 1912, ale k prvnímu použití v domácích spotřebičích došlo o 6 desetiletí později, na začátku sedmdesátých let. Další pokusy o vytvoření lithiových baterií (baterií, které lze dobíjet) byly neúspěšné kvůli problémům, které vznikly při zajišťování jejich bezpečného provozu. Takové baterie by mohly poskytovat vysoké napětí a vynikající kapacitu. Četné výzkumné práce v 80. letech však odhalily, že cyklování (nabíjení – vybíjení) lithiových baterií vede k nekontrolované prudké reakci se vznícením uvolňovaných plynů. Aby vědci získali bezpečné baterie, opustili lithium kvůli jeho charakteristické nestabilitě a obrátili svou pozornost k nekovovým lithiovým bateriím na bázi lithiových iontů. Tak se objevily lithium-iontové baterie.

Parametry lithiových baterií

Dnes vyráběné baterie mají vysokou měrnou energetickou kapacitu (100–180 Wh/kg a 250–400 Wh/l) a provozní napětí (3,5–3,7 V). Vybíjecí proud moderních Li-Ion baterií je od 2 °C do 20 °C. Fungují v rozsahu okolních teplot od -20 do +60 °C. Existují modely, které fungují při -40 °C. Je však třeba hned říct, že speciální řady baterií fungují i při teplotách pod bodem mrazu. Běžné lithium-iontové baterie pro mobilní zařízení se při teplotách pod bodem mrazu stávají nefunkčními. Samovybíjení tohoto typu baterií je v prvním měsíci přibližně 4 % až 6 %. Poté se však výrazně snižuje a za 12 měsíců baterie ztrácejí 10–20 % své uložené kapacity. To je výrazně méně než u nikl-kadmiových a nikl-metalhydridových baterií. Životnost je přibližně 500–1000 cyklů.

Rozdíl mezi Li-Pol a Li-Ion bateriemi

Lithium-iontové baterie se většinou vyskytují ve formě válcových sudů, jako je například 18650. A to vše proto, že iontové baterie jsou vytvořeny na základě tzv. „plechovky“, do které se nalévá tekutý elektrolyt.

Lithium-polymerové baterie jsou vyrobeny z pevného elektrolytu, což umožňuje jejich výrobu v téměř jakémkoli tvaru.

V současné době bylo provedeno mnoho experimentů, které potvrzují nejvyšší úroveň bezpečnosti polymerových baterií ve srovnání s iontovými bateriemi. To se týká přebíjení, zrychleného vybíjení, vibrací, komprese, zkratu a propíchnutí lithium-polymerových baterií. Proto má tento typ baterií lepší vyhlídky na rozvoj. Níže jsou uvedeny výsledky studií o bezpečném provozu Li-Pol baterií.

Výhody lithiových baterií

• vysoká hustota energie (a tedy vyšší kapacita) ve srovnání s alkalickými bateriemi používajícími nikl;
• nízké samovybíjení;
• Docela vysoké napětí jednoho článku baterie (3,6 voltu pro Li a 1,2 voltu pro Ni-Cd a Ni-MH). To zjednodušuje konstrukci. Lithiové baterie pro telefony a tablety mají zpravidla ve své konstrukci pouze jeden článek. Pro zajištění stejného výkonu je však nutné dodávat vyšší proud. To zase vyžaduje malý vnitřní odpor baterie;
• Snadná obsluha, protože nedochází k žádnému „paměťovému efektu“. Proto není nutné pravidelné školení prvků.

Nevýhody lithiových baterií

• Tento typ baterie nemůže fungovat bez vestavěného regulátoru. To zvyšuje cenu baterie. Regulátor je potřebný k řízení napětí během nabíjení a vybíjení. Jeho funkce zahrnují také omezení nabíjecích a vybíjecích proudů a regulaci teploty;
• K degradaci baterie dochází i během skladování. Výrobci o tom nemluví, ale při nákupu je třeba pamatovat na to, že „hodiny lithiové baterie tikají“ od okamžiku, kdy je vyrobena na dopravníku;
• Jsou dražší než nikl-kadmiové a nikl-metalhydridové baterie;
• Své vlastnosti si zachovávají v úzkém teplotním rozmezí. Teplo a chlad jsou pro ně ničivé.

Pravidla provozu

Na co si dát pozor při používání Li-Pol baterií:

• Pokud je to možné, vyplatí se zkontrolovat napětí baterie, obzvláště důležité je sledovat to na konci vybíjení;
• Doporučuje se používat konektory, které neumožňují zkrat;
• Pouzdro baterie je zpočátku utěsněno, pronikání vzduchu do pouzdra baterie není povoleno, a proto není povoleno odtlakování baterie;
• Zahřívání nad 60 stupňů by nemělo být povoleno, protože přehřátí způsobí spontánní reakci, která může vést k požáru nebo dokonce k výbuchu;
• Pro skladování nabijte baterii do poloviny a umístěte ji na chladné místo mimo dosah slunečního záření.

LiFePO4

LifePO4 je skupina lithiových baterií, které obsahují lithium-železitý fosforečnan. Tyto lithiové baterie jsou na rozdíl od jiných považovány za bezpečné. Jsou lepší než jiné materiály, pokud jde o bezpečnost, stabilitu a výkon.

Baterie LifePO4 vydrží přes 2000 cyklů nabití a vybití. To je ukazatel kvalitní LiFePO4 baterie, která o dalších 33 % překračuje životnost jiné skupiny podobných lithiových baterií! Tyto baterie poskytují mnohem větší návratnost investice než jiné lithiové baterie.

LiFePO4 baterie jsou odvozeny od lithium-iontových baterií, ale tyto baterie mají řadu výhod:

• LiFePO4 vám poskytne delší životnost než jiné analogy;
• Tyto baterie poskytují stabilní vybíjení ve srovnání s jinými bateriemi. Až do úplného vybití si baterie udržuje napětí co nejblíže 3.2 V, což eliminuje potřebu časté regulace napětí v obvodu;
• Díky stabilnímu výstupnímu napětí 3.2 V lze postupným zapojením čtyř baterií dosáhnout jmenovitého výstupního napětí 12.8 V. Na základě toho se tyto baterie mohou stát alternativou k olověným bateriím a lze je použít v automobilovém průmyslu nebo v solární energii;
• Použití fosfátů zabraňuje nákladům na kobalt a problémům s životním prostředím, zejména obavám z vyplavování kobaltu do životního prostředí při nesprávné likvidaci;
• LiFePO4 se vyznačuje vysokým výkonem a špičkovým proudem;
• Hustota energie nové baterie LFP je přibližně o 14 % nižší než u nových lithium-iontových baterií. Vzhledem k tomu, že hustota energie klesá mnohem pomaleji, budou mít články LifePO4 po určité době používání vyšší hustotu energie než články LiCoO2 a lithium-iontové články;
• Články LiFePO4 ztrácejí kapacitu pomaleji než lithium-iontové baterie, jako jsou LiCoO2, kobaltové nebo manganové, LiMn2O4, spinel, lithium-polymerové nebo lithium-iontové baterie.
• Jednou z důležitých výhod oproti jiným typům lithium-iontových baterií je tepelná a chemická stabilita, která výrazně zvyšuje bezpečnost baterie.

Mezi nejmodernějšími bateriemi zaujímají lithiové baterie zvláštní místo. V chemii je lithium nejaktivnějším kovem.

Má obrovský zdroj energie. 1 kg lithia dokáže uložit 3860 ampérhodin. Známý zinek výrazně zaostává. Jeho kapacita je 820 ampérhodin.

Lithiové články mohou produkovat napětí až 3,7 V. Laboratorní vzorky jsou však schopny produkovat napětí kolem 4.5 V.

Moderní lithiové baterie nepoužívají čisté lithium.

V současné době existují 3 běžné typy lithiových baterií:

• Lithium-iontová (Li-ion). Jmenovité napětí (U_ne.) – 3,6 V;
• Lithiový polymer (Li-Po, Li-polymer nebo „lipo“). U_ne. – 3,7 V;
• Lithium-železitý fosforečnan (Li-Fe nebo LFP). U_ne. – 3,3V.

Všechny tyto typy lithiových baterií se liší materiálem katody nebo elektrolytu. Lithium-iontové baterie používají katodu vyrobenou z kobaltnatu lithia (LiCoO).₂Li-Po používá gelový polymerní elektrolyt a Li-Fe používá lithium-železitý fosfátový katodní systém LiFePO4.₄.

Každá lithiová baterie (nebo zařízení, ve kterém pracuje) je vybavena malým elektronickým obvodem – regulátorem nabíjení/vybíjení. Protože lithiové baterie jsou velmi citlivé na přebíjení a hluboké vybíjení, je to nezbytné. Pokud si „rozeberete“ jakoukoli lithiovou baterii z mobilního telefonu, najdete v ní malý elektronický obvod – jedná se o ochranný regulátor (Protection IC).

Pokud lithiová baterie nemá vestavěný regulátor (neboli supervizor nabíjení), pak se taková baterie nazývá nechráněná. V tomto případě je regulátor zabudován do zařízení, které je takovou baterií napájeno, a nabíjení je možné pouze ze zařízení nebo ze speciální nabíječky.

Fotografie ukazuje nechráněnou Li-Po baterii „Turnigy 2200 mAh 3C 25C Lipo Pack“. Tato baterie se skládá ze 3 sériově zapojených článků (3C – 3 články) s napětím 3,7 V a má proto vyvažovací konektor. Trvalý vybíjecí proud může dosáhnout 25 C, tj. 25 * 2200 mA = 55000 mA = 55 A! A krátkodobý vybíjecí proud (10 s) je 35 C!

Lithiové baterie, což je několik článků zapojených do série, vyžadují komplexní nabíječku vybavenou balancerem. Tato funkce je implementována například v univerzálních nabíječkách jako „Turnigy Accucell 6“ a „IMAX B6“.

Balancer je potřebný k vyrovnání napětí na jednotlivých článcích během nabíjení kompozitní lithiové baterie. Vzhledem k rozdílům mezi články se některé mohou nabíjet rychleji a jiné pomaleji. Proto se používá speciální obvod pro posun nabíjecího proudu.

Toto je schéma zapojení pro vyvažovací a napájecí kabely pro 11,1V LiPo baterii.

Jak je známo, přebíjení lithiového článku baterie (zejména Li-Polymer) nad 4,2 V může vést k výbuchu nebo samovznícení. Proto je během nabíjení nutné monitorovat napětí na každém článku kompozitní baterie baterie!

Správné nabíjení lithiových baterií

Lithiové baterie (Li-ion, Li-Po, Li-Fe) se nabíjejí metodou CC/CV (konstantní proud/konstantní napětí). Metoda spočívá v tom, že se článek nejprve nabije konstantním proudem určité hodnoty, když je napětí na článku nízké. Když je napětí na článku dosaženo (například až 4,2 V – v závislosti na typu baterie), regulátor nabíjení na něm udržuje konstantní napětí.

První fáze nabíjení lithiové baterie – CC – je realizována pomocí zpětné vazby. Regulátor volí napětí na prvku tak, aby nabíjecí proud byl striktně konstantní.

Během první fáze nabíjení lithiová baterie akumuluje většinu své energie (60 – 80 %).

Druhá fáze nabíjení – CV – začíná, když napětí na prvku dosáhne určité prahové úrovně (například 4,2 V). Poté regulátor jednoduše udržuje konstantní napětí na prvku a dodává mu potřebný proud. Na konci nabíjení proud klesne na 30 – 10 mA. Při tomto proudu se prvek považuje za nabitý.

Během druhé fáze baterie akumuluje zbývajících 40–20 % energie.

Za zmínku stojí, že překročení prahového napětí na lithiové baterii může vést k jejímu nadměrnému přehřátí a dokonce i k výbuchu!

Při nabíjení lithiových baterií se doporučuje umístit je do nehořlavého obalu. To platí zejména pro baterie, které nemají speciální box. Například ty, které se používají v rádiem ovládaných modelech (automobilové, letecké modelářství).

Nevýhody lithium-iontových baterií

• Hlavní a nejstrašnější nevýhodou lithiových baterií bych nazval jejich nebezpečí požáru při překročení provozního napětí, přehřátí, nesprávné nabíjení a negramotný provoz. Obzvláště mnoho stížností je na lithium-polymerové (Li-Polymer) baterie. Lithium-železo-fosfátové (Li-Fe) baterie však takovou negativní vlastnost nemají – jsou nehořlavé.
• Lithiové baterie se také velmi bojí chladu – rychle ztrácejí kapacitu a přestávají se nabíjet. To platí pro Li-ion a Li-Po baterie. Lithium-železo-fosfátové (Li-Fe) baterie jsou odolnější vůči mrazu. Ve skutečnosti je to jedna z pozitivních vlastností Li-Fe baterií.
• Další nevýhodou lithiových baterií je, že vyžadují speciální regulátor nabíjení – elektronický obvod. A v případě kompozitní baterie i balancer.
• Při hlubokém vybití ztrácejí lithiové baterie své původní vlastnosti. Li-ion a Li-Po baterie se hlubokého vybití obávají zejména. I po obnovení kapacity bude mít taková baterie nižší kapacitu.

Životnost typické lithiové baterie je obvykle 3–5 let. Po 3 letech se kapacita baterie začíná znatelně snižovat.