כל מה שאתה צריך לדעת על li

אלא אם כן כמה טוני סטארק נכנס וממציא את כור הקשת או המחקר בלוויני חשמל סולאריים (SPS) להעברת אנרגיה אלחוטית יעבור, אנו בני האדם צריכים להיות תלויים בסוללות כדי להפעיל את המכשירים האלקטרוניים הניידים או המרוחקים שלנו. הסוג הנפוץ ביותר של סוללות נטענות שאתה מוצא באלקטרוניקה צריכה הוא או ליתיום יון או מסוג ליתיום פולימר. במאמר זה, האינטרס שלנו יהיה על סוללות הליון-יון מכיוון שהן נוטות להיות שימושיות יותר מכל הסוגים האחרים. בין אם זה בנק כוח קטן או מחשב נייד או משהו גדול כמו הדגם 3 החדש של טסלה, הכל מופעל על ידי סוללת ליתיום-יון.

מה מייחד את הסוללות הללו? מה עליכם לדעת על כך לפני שתשתמשו בפרויקטים / עיצובים שלכם? כיצד תטען או תפרוק את הסוללות האלה בבטחה? אם אתה סקרן לדעת את התשובות לכל השאלות הללו, נחת על המאמר הנכון, פשוט שב ונקרא בעיון ואנסה לשמור על זה כמה שיותר מעניין.

היסטוריית סוללות ליתיום-יון

הרעיון של סוללת ליתיום יון הוטבע לראשונה על ידי GN לואיס בשנת 1912, אך הוא הפך להיות אפשרי רק בשנות ה -70 וסוללת הליתיום הראשונה שאינה נטענת הוכנסה לשווקים מסחריים. מאוחר יותר בשנות השמונים של המאה העשרים ניסו מהנדסים לייצר את הסוללה הנטענת הראשונה באמצעות ליתיום כחומר האנודה והצליחו בחלקם. הם לא הבחינו כי סוגים אלה של סוללות ליתיום אינן יציבות בתהליך הטעינה וזה היה יוצר קצר בתוך הסוללה שמגדיל את הטמפרטורה וגורם לברחה תרמית.

בשנת 1991 סוללת ליתיום אחת כזו ששימשה בנייד התפוצצה על פני גבר ביפן. רק לאחר תקרית זו התברר כי יש לטפל בסוללות ליתיום בזהירות רבה. מספר עצום מסוגי סוללות אלה שהיו בשוק נזכרו אז על ידי היצרנים על רקע בטיחות. מאוחר יותר לאחר הרבה מחקרים, סוני הציגה את סוללות הליון-יון המתקדמות עם כימיה חדשה בה נעשה שימוש עד כה. בואו נסיים את שיעורי ההיסטוריה כאן ונבדוק את הכימיה של סוללת ליתיום יון.

כימיה של סוללות ליתיום ועבודה

כפי שהשם מעיד כמובן, סוללות ליתיום יון משתמשות ביוני ליתיום כדי לבצע את העבודה. ליתיום הוא מתכת קלה מאוד עם צפיפות אנרגיה גבוהה, מאפיין זה מאפשר לסוללה להיות קלה במשקל ולספק זרם גבוה עם גורם צורה קטן. צפיפות אנרגיה היא כמות האנרגיה שניתן לאחסן בנפח יחידת סוללה, ככל שצפיפות האנרגיה גבוהה יותר כך הסוללה תהיה קטנה יותר. למרות המאפיינים המוחלטים של מתכת ליתיום, לא ניתן להשתמש בה כאלקטרודה ישירות בסוללות מכיוון שליתיום אינו יציב ביותר בגלל אופיו המתכתי. לפיכך אנו משתמשים ביוני ליתיום אשר פחות או יותר בעלי אותו תכונה של מתכת ליתיום אך הוא אינו מתכתי ובטוח יחסית לשימוש.

בדרך כלל האנודה של סוללת ליתיום עשויה מפחמן והקטודה של הסוללה מיוצרת באמצעות תחמוצת קובלט או תחמוצת מתכת אחרת. האלקטרוליט המשמש לחיבור שתי האלקטרודות הללו יהווה תמיסת מלח פשוטה המכילה יוני ליתיום. בעת פריקה יני הליתיום הטעונים באופן חיובי נעים לעבר הקתודה ומפציצים אותה עד שהיא טעונה חיובית. מכיוון שהקטודה טעונה באופן חיובי היא מושכת אליה אלקטרונים טעונים שלילית. אלקטרונים אלה נובעים לזרום למרות המעגל שלנו ובכך מפעילים את המעגל.

באופן דומה בזמן הטעינה, ההפך הגמור קורה. אלקטרונים מהמטענים זורמים לסוללה ומכאן שיוני הליתיום נעים לעבר האנודה מה שהופך את הקתודה לאבד את המטען החיובי שלה.

מבוא לסוללות ליתיום יון

די בתיאוריה על סוללות ליתיום יון, עכשיו בואו ונלמד להכיר את התאים הללו כדי שנוכל להיות בטוחים לגבי השימוש בהן בפרויקטים שלנו. סוללת ליתיום יון הנפוצה ביותר היא 18650 תאים, כך שנדון בערך באותה מידה במאמר זה. תא טיפוסי של 18650 מוצג בתמונה למטה

כמו כל הסוללות גם לסוללת הליון-יון יש מתח וקיבולת. הדירוג מהמתח הנומינלי עבור כל תאי ליתיום יהיה 3.6Vאז אתה זקוק למפרט מתח גבוה יותר, עליך לשלב שניים או יותר תאים בסדרה כדי להשיג זאת. כברירת מחדל לכל תאי יון הליתיום יהיה מתח סמלי של ~ 3.6V בלבד. ניתן לאפשר למתח זה לרדת עד 3.2 וולט כשהוא משוחרר לחלוטין ולעלות עד 4.2 וולט כשהוא טעון במלואו. זכרו תמיד כי פריקת הסוללה מתחת ל -3.2 וולט או טעינה מעל 4.2 וולט יפגעו בסוללה לצמיתות ועלולים להפוך גם למתכון לזיקוקים. מאפשר לפרק את המינוחים הכרוכים בסוללת 18650 כדי שנוכל להבין טוב יותר. זכור כי ההסברים הללו רלוונטיים רק לתא 18650 יחיד, אנו נכנס יותר לחבילות סוללות ליתיום בהמשך, כאשר יותר מתא אחד מחובר בסדרה או במקביל כדי לקבל דירוג מתח וזרם גבוהים בהרבה.

מתח נומינלי: המתח הנומינלי הוא דירוג המתח בפועל של תא 18650. כברירת מחדל הוא 3.6 וולט ויישאר זהה לכל 18650 התאים למרות ייצורו.

מתח פריקה מלא: לעולם אסור לתת לתא 18650 לפרוק מתחת ל -3.2 וולט, אי ביצוע פעולה זו ישנה את ההתנגדות הפנימית של הסוללה שתפגע בסוללה לצמיתות ועלולה גם לגרום לפיצוץ

מתח טעינה מלא: מתח הטעינה של תא ליתיום יון הוא 4.2V. יש להקפיד כי מתח התא לא יעלה 4.2V בכל זמן נתון.

דירוג mAh: קיבולת התא ניתנת בדרך כלל במונחים של דירוג mAh (מילי אמפר שעה). ערך זה ישתנה בהתאם לסוג התא שרכשתם. לדוגמא נניח שהתא שלנו כאן הוא 2000mAh שאינו אלא 2Ah (אמפר / שעה). המשמעות היא שאם אנו שואבים 2A מסוללה זו היא תחזיק מעמד למשך שעה אחת ובדומה לכך אם אנו שואבים 1A מסוללה זו היא תחזיק מעמד למשך שעתיים. אז אם אתה רוצה לדעת כמה זמן הסוללה תמריץ לך להקרין (זמן ריצה) אז אתה צריך לחשב אותה באמצעות דירוג mAh.

זמן ריצה (בשעות) = נמדד / זרם mAh

היכן, הזרם הנוכחי צריך להיות בגבול הדירוג C.

דירוג C: אם תהיתם אי פעם מהו כמות הזרם המקסימלית שתוכלו לשאוב מסוללה, אז ניתן לקבל את התשובה שלכם מדירוג C של הסוללה. דירוג ה- C של הסוללה משתנה שוב עבור כל סוללה, נניח שהסוללה שיש לנו היא סוללה 2Ah עם דירוג 3C. הערך 3C פירושו שהסוללה יכולה להפיק פי 3 את דירוג Ah המדורג כזרם המרבי. במקרה זה הוא יכול לספק עד 6A (3 * 2 = 6) כזרם המרבי. בדרך כלל 18650 תאים הם בעלי דירוג 1C בלבד.

זרם מקסימלי שנשאב מהסוללה = דירוג C * דירוג אה

זרם טעינה: מפרט חשוב נוסף של סוללה שיש לשים לב אליה הוא זרם הטעינה שלה. רק בגלל שסוללה יכולה לספק זרם מקסימלי של 6A, זה לא אומר שהיא יכולה להיטען עם 6A. זרם הטעינה המרבי של סוללה יוזכר בגיליון הנתונים של הסוללה מכיוון שהוא משתנה בהתאם לסוללה. בדרך כלל זה יהיה 0.5C, כלומר חצי מהערך של דירוג Ah. עבור סוללת דירוג 2Ah זרם הטעינה יהיה 1A (0.5 * 2 = 1).

זמן טעינה: ניתן לחשב את זמן הטעינה המינימלי הנדרש לטלפון יחיד של 18650 באמצעות ערך זרם הטעינה ודירוג Ah של הסוללה. לדוגמא טעינת סוללה של 2Ah עם זרם טעינה של 1A תימשך כשעתיים לטעינה, בהנחה שהמטען משתמש רק בשיטת CC לטעינת התא.

התנגדות פנימית (IR): ניתן לחזות את מצבה הבריאותי ואת קיבולתה על ידי מדידת ההתנגדות הפנימית של הסוללה. זה אינו אלא ערך ההתנגדות בין מסופי האנודה (החיובית) לקתודה (השלילית) של הסוללה. הערך האופייני של IR של תא יוזכר בגיליון הנתונים. ככל שהיא תיסחף מהערך בפועל הסוללה תהיה פחות יעילה. הערך של IR לתא 18650 יהיה בטווח של מילי אוהם ויש מכשירים ייעודיים למדידת הערך של IR.

שיטות טעינה: ישנן שיטות רבות אשר נוהגות להטעין תא לי-יון. אך הנפוץ ביותר הוא טופולוגיית 3 השלבים. שלושת השלבים הם CC, CV וטעינה בטפטוף. במצב CC (זרם קבוע) התא טעון בזרם טעינה קבוע על ידי שינוי מתח הכניסה. מצב זה יהיה פעיל עד שהסוללה נטענת לרמה מסוימת, ואז קורות החיים (מתח קבוע)מצב מתחיל במקום בו מתח הטעינה נשמר בדרך כלל על 4.2 וולט. המצב הסופי הוא טעינת דופק או טעינת זרזיף כאשר פעימות זרם קטנות מועברות לסוללה כדי לשפר את מחזור החיים של הסוללה. יש גם מטענים מורכבים הרבה יותר הכוללים 7 שלבי טעינה. לא ניכנס לעומק בנושא רב מכיוון שהוא נמצא מחוץ לתחום של מאמר זה. אבל אם אתה מעוניין לדעת אזכור בסעיף ההערות ומותר שאכתוב מאמר נפרד על טעינת תאי הלי-יון.

מצב טעינה (SOC)%: מצב הטעינה אינו אלא קיבולת הסוללה, בדומה למוצגים בטלפון הנייד שלנו. לא ניתן לחשב באופן ברור את קיבולת הסוללה באמצעות שסתום המתח שלה, היא מחושבת בדרך כלל באמצעות שילוב זרם כדי לקבוע את שינוי קיבולת הסוללה לאורך זמן.

עומק הפריקה (DOD)%: עד כמה ניתן לפרוק את הסוללה ניתן על ידי ה- DOD. בשום סוללה לא יהיו פריקות של 100% שכן כידוע זה יפגע בסוללה. בדרך כלל מוגדר עומק פריקה של 80% לכל הסוללות.

ממד התא: מאפיין ייחודי ומעניין נוסף של תא 18650 הוא המימד שלו. לכל תא יהיה קוטר של 18 מ"מ וגובה של 650 מ"מ מה שגורם לתא זה לקבל את שמו 18650.

אם אתה רוצה הגדרות טרמינולוגיה רבות יותר, עיין בתיעוד המינוחים של MIT Battery, שם אתה בטוח תמצא פרמטרים טכניים נוספים הקשורים לסוללה.

הדרך הקלה ביותר להשתמש בתא 18650

אם אתה מתחיל לחלוטין ורק מתחיל לעבוד עם 18650 תאים להפעלת הפרויקט שלך, הדרך הקלה ביותר תהיה להשתמש במודולים מוכנים מוכנים אשר יכולים לטעון ולפרוק את תאי 18650 שלך בבטחה. רק מודול כזה הוא מודול TP4056 שיכול לטפל בתא 18650 יחיד.

אם אתה מקרין דורש יותר מ -3.6 וולט כמתח כניסה, כדאי לשלב שני 18650 תאים בסדרה כדי לקבל מתח של 7.4 וולט. במקרה כזה שימוש במודול כמו מודול סוללת ליתיום 2S 3A אמור להיות שימושי בטעינה ופריקה של הסוללות בבטחה.

כדי לשלב שניים או יותר 18650 תאים איננו יכולים להשתמש בטכניקת הלחמה קונבנציונאלית כדי ליצור קשר בין שניהם במקום נעשה שימוש בתהליך הנקרא ריתוך נקודתי. כמו כן בעת ​​שילוב 18650 תאים בסדרה או במקביל יש לנקוט בזהירות רבה יותר אשר נדון בפסקה הבאה.

חבילת סוללות ליתיום (תאים בסדרה ומקבילה)

כדי להניע אלקטרוניקה ניידת קטנה או מכשירים קטנים, תא בודד 18650 או לכל היותר זוג מהם בסדרה יעשה את העבודה. ביישום מסוג זה המורכבות פחותה מכיוון שמספר הסוללות המעורבות הוא פחות. אך עבור יישומים גדולים יותר כמו מחזור חשמלי / טוסטוס או מכוניות טסלה נצטרך לחבר הרבה תאים אלה בסדרה ובאופן מקביל כדי להשיג את מתח היציאה והקיבולת הרצויים. לדוגמא מכונית טסלה מכילה למעלה מ 6800 תאי ליתיום שכל אחד מהם מדורג ב -3.7 וולט ו 3.1Ah. התמונה למטה מראה כיצד הוא מסודר בתוך שלדת המכונית.

עם מספר רב זה של תאים לפיקוח עלינו מעגל ייעודי שיכול פשוט לטעון, לפקח ולפרוק את התאים הללו בבטחה. מערכת ייעודית זו נקראת מערכת ניטור סוללות (BMS). תפקיד ה- BMS הוא לפקח על מתח התא האישי של כל תא ליתיום יון ולבדוק גם את הטמפרטורה שלו. מלבד זאת חלק מה- BMS עוקב אחר זרם הטעינה והפריקה של המערכת.

כשמשלבים יותר משני תאים ליצירת חבילה, יש לשים לב שיש להם אותה כימיה, מתח, דירוג Ah והתנגדות פנימית. כמו כן בזמן טעינת התאים ה- BMS מוודא שהם נטענים באופן שווה ופורקים באופן שווה, כך שבכל זמן נתון כל הסוללות ישמרו על אותו מתח, זה נקרא איזון תא. מלבד זאת על המעצב גם לדאוג לקירור סוללות אלו בזמן טעינה ופריקה מכיוון שהן אינן מגיבות טוב בטמפרטורות גבוהות.

מקווה שמאמר זה סיפק לכם מספיק פרטים בכדי שתוכלו להיות קצת בטוחים בתאי הליון-יון. אם יש לך ספקות ספציפיים אל תהסס להשאיר את החלק בסעיף ההערות ואשתדל כמיטב יכולתי להשיב בחזרה. עד אז התעסקות מאושרת.