Alles wat je moet weten over li

Tenzij een Tony Stark ingrijpt en de Arc-reactor uitvindt of het onderzoek in Solar Power Satellites (SPS) voor draadloze energieoverdracht doorkomt, zijn wij mensen afhankelijk van batterijen voor het voeden van onze draagbare of externe elektronische apparaten. Het meest voorkomende type oplaadbare batterijen dat u in consumentenelektronica vindt, is lithium-ion of lithium-polymeer. In dit artikel zou onze interesse uitgaan naar de Li-ion-batterijen, omdat deze meestal nuttiger zijn dan alle andere typen. Of het nu een kleine powerbank of een laptop is of zoiets groots als het nieuwe Model 3 van de Tesla, alles wordt aangedreven door een lithium-ionbatterij.

Wat maakt deze batterijen zo bijzonder? Wat moet u erover weten voordat u er een gebruikt in uw projecten / ontwerpen? Hoe gaat u deze batterijen veilig opladen of ontladen? Als je nieuwsgierig bent naar de antwoorden op al deze vragen, dan ben je op het juiste artikel beland, leun achterover en lees het door terwijl ik zal proberen dit zo interessant mogelijk te houden.

Geschiedenis van lithium-ionbatterijen

Het idee van een lithium-ionbatterij werd voor het eerst bedacht door GN Lewis in 1912, maar het werd pas in de jaren zeventig uitvoerbaar en de eerste niet-oplaadbare lithiumbatterij werd op de markt gebracht. Later in de jaren tachtig probeerden de ingenieurs de eerste oplaadbare batterij te maken met lithium als anodemateriaal, en dat lukte gedeeltelijk. Ze merkten niet dat dit soort lithiumbatterijen onstabiel waren tijdens het laadproces en dat er een kortsluiting in de batterij zou ontstaan, waardoor de temperatuur zou stijgen en een thermische uitval zou ontstaan.

In 1991 explodeerde een dergelijke lithiumbatterij die in mobiel werd gebruikt, boven het gezicht van een man in Japan. Pas na dit incident realiseerde men zich dat met Li-ion-batterijen uiterst voorzichtig moet worden omgegaan. Een groot aantal van dit soort batterijen die op de markt waren, werden vervolgens door de fabrikanten teruggeroepen vanwege veiligheidsproblemen. Later, na veel onderzoek, introduceerde Sony de geavanceerde Li-ion-batterijen met een nieuwe chemie die tot op heden wordt gebruikt. Laten we de geschiedenislessen hier afronden en kijken naar de chemie van een lithiumionbatterij.

Li-ion batterijchemie en werking

Zoals de naam duidelijk aangeeft, gebruiken de lithiumionbatterijen de lithiumionen om de klus te klaren. Lithium is een zeer licht metaal met een hoge energiedichtheid, deze eigenschap zorgt ervoor dat de batterij licht in gewicht is en een hoge stroom levert met een kleine vormfactor. Energiedichtheid is de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen per volume-eenheid van de batterij, hoe hoger de energiedichtheid, hoe kleiner de batterij. Ondanks de overweldigende eigenschappen van lithiummetaal, kan het niet rechtstreeks als elektrode in de batterijen worden gebruikt, aangezien lithium vanwege zijn metallische aard zeer onstabiel is. Daarom gebruiken we lithiumionen die min of meer dezelfde eigenschap hebben als een lithiummetaal, maar het is niet-metallisch en relatief veiliger in het gebruik.

Normaal gesproken is de anode van een lithiumbatterij gemaakt van koolstof en is de kathode van de batterij gemaakt van kobaltoxide of een ander metaaloxide. De elektrolyt die wordt gebruikt om deze twee elektroden te verbinden, is een eenvoudige zoutoplossing die lithiumionen bevat. Bij het ontladen bewegen de positief geladen lithiumionen naar de kathode en bombarderen deze totdat deze positief wordt geladen. Nu de kathode positief geladen is, trekt deze negatief geladen elektronen naar zich toe. Deze elektronen zijn gemaakt om door ons circuit te stromen en zo het circuit van stroom te voorzien.

Evenzo gebeurt tijdens het opladen precies het tegenovergestelde. Elektronen van de ladingen stromen de batterij in en daardoor bewegen de lithiumionen naar de anode waardoor de kathode zijn positieve lading verliest.

Inleiding tot lithium-ionbatterijen

Genoeg theorie over lithium-ionbatterijen, laten we nu praktisch kennis maken met deze cellen, zodat we er zeker van kunnen zijn dat we ze in onze projecten gebruiken. De meest gebruikte lithiumionenbatterij zijn de 18650-cellen, dus we zullen ongeveer hetzelfde in dit artikel bespreken. Een typische 18650-cel wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding

Zoals alle accu's heeft ook de Li-ion accu een spanning en capaciteit. De nominale spanning voor alle lithiumcellen is 3,6 V., dus je hebt een hogere spanningsspecificatie nodig, je moet twee of meer cellen in serie combineren om dit te bereiken. Standaard hebben alle lithiumioncellen een nominale spanning van slechts ~ 3,6V. Deze spanning kan dalen tot 3,2 V wanneer deze volledig is ontladen en oplopen tot 4,2 V wanneer deze volledig is opgeladen. Onthoud altijd dat het ontladen van de batterij onder 3,2 V of het opladen boven 4,2 V de batterij permanent zal beschadigen en ook een recept voor vuurwerk kan worden. Laten we de terminologieën van een 18650-batterij uitsplitsen, zodat we het beter kunnen begrijpen. Houd er rekening mee dat deze uitleg alleen van toepassing is op een enkele 18650-cel, we zullen later meer over Li-ion-batterijpakketten gaan, waar meer dan één cel in serie of parallel is aangesloten om een ​​veel hogere spanning en stroom te krijgen.

Nominale spanning: de nominale spanning is de werkelijke spanningswaarde van een 18650-cel. Standaard is het 3,6 V en zal ondanks de fabricage hetzelfde blijven voor alle 18650-cellen.

Volledige ontladingsspanning: een 18650-cel mag nooit worden ontladen onder 3,2V, als u dit niet doet, zal de interne weerstand van de batterij veranderen, wat de batterij permanent zal beschadigen en ook tot een explosie kan leiden

Volledige laadspanning: de laadspanning voor de lithiumioncel is 4,2 V. Er moet voor worden gezorgd dat de celspanning op geen enkel moment 4,2 V toeneemt.

mAh-beoordeling: de capaciteit van een cel wordt normaal gesproken weergegeven in termen van mAh (milli-ampère-uur). Deze waarde is afhankelijk van het type cel dat u heeft gekocht. Laten we bijvoorbeeld aannemen dat onze cel hier 2000 mAh is, wat niets anders is dan 2 Ah (Ampère / uur). Dit betekent dat als we 2A uit deze batterij halen, het 1 uur meegaat en op dezelfde manier als we 1A uit deze batterij halen, het 2 uur meegaat. Dus als u wilt weten hoelang de batterij uw project van stroom zal voorzien (looptijd), dan moet u dit berekenen met behulp van de mAh-classificatie.

Looptijd (in uren) = huidige getrokken / mAh-beoordeling

Waar de opgenomen stroom binnen de C-limiet moet liggen.

C-beoordeling: als je je ooit hebt afgevraagd wat de maximale hoeveelheid stroom is die je uit een batterij kunt halen, dan kan je antwoord worden afgeleid uit de C-waarde van de batterij. De C-classificatie van de batterij verandert weer voor elke batterij, laten we aannemen dat de batterij die we hebben een 2Ah-batterij is met 3C-classificatie. De waarde 3C betekent dat de batterij 3 keer de nominale Ah-classificatie als maximale stroom kan leveren. In dit geval kan hij tot 6A (3 * 2 = 6) als maximale stroom leveren. Normaal gesproken hebben 18650-cellen alleen een 1C-classificatie.

Maximale stroom uit de accu = C Rating * Ah Rating

Laadstroom: Een andere belangrijke specificatie van een batterij om op te merken, is de laadstroom. Alleen omdat een batterij een maximale stroom van 6A kan leveren, wil dat nog niet zeggen dat deze kan worden opgeladen met 6A. De maximale laadstroom van een batterij wordt vermeld in het gegevensblad van de batterij, aangezien deze varieert op basis van de batterij. Normaal gesproken is dit 0,5C, wat de helft van de waarde van de Ah-waarde betekent. Voor een batterij met een nominale capaciteit van 2 Ah is de laadstroom 1 A (0,5 * 2 = 1).

Oplaadtijd: De minimale oplaadtijd die nodig is om een ​​enkele 18650-cel op te laden, kan worden berekend door de waarde van de laadstroom en het Ah-vermogen van de batterij te gebruiken. Het opladen van een 2Ah-batterij met 1A laadstroom duurt ongeveer 2 uur, ervan uitgaande dat de oplader alleen de CC-methode gebruikt om de cel op te laden.

Interne weerstand (IR): De gezondheid en capaciteit van een batterij kan worden voorspeld door de interne weerstand van de batterij te meten. Dit is niets anders dan de weerstandswaarde tussen de anode- (positieve) en kathode- (negatieve) aansluitingen van de batterij. De typische waarde van IR van een cel wordt vermeld in het gegevensblad. Hoe meer het afwijkt van de werkelijke waarde, hoe minder efficiënt de batterij zal zijn. De waarde van IR voor een 18650-cel ligt in het bereik van milli-ohm en er zijn speciale instrumenten om de waarde van IR te meten.

Oplaadmethoden: Er zijn veel methoden die worden toegepast om een ​​li-ioncel op te laden. Maar de meest gebruikte is de 3-staps topologie. De drie stappen zijn CC, CV en druppelladen. In de CC- modus (constante stroom) wordt de cel opgeladen met een constante laadstroom door de ingangsspanning te variëren. Deze modus is actief totdat de batterij tot een bepaald niveau is opgeladen, waarna de CV (constante spanning)modus begint waar de laadspanning typisch op 4,2V wordt gehouden. De laatste modus is pulsladen of druppelladen waarbij kleine stroompulsen naar de batterij worden gestuurd om de levensduur van de batterij te verbeteren. Er zijn ook veel complexere opladers met 7 laadstappen. We zullen niet veel dieper ingaan op dit onderwerp, aangezien het ver buiten het bestek van dit artikel valt. Maar als u geïnteresseerd bent in een vermelding in het commentaargedeelte, mag ik een apart artikel schrijven over het opladen van de Li-ion-cellen.

State Of Charge (SOC)%: De laadstatus is niets anders dan de capaciteit van de batterij, vergelijkbaar met die op onze mobiele telefoon. De capaciteit van een batterij kan niet duidelijk worden berekend met zijn spanningsventiel, maar wordt normaal berekend met behulp van stroomintegratie om de verandering in batterijcapaciteit in de loop van de tijd te bepalen.

Diepte van ontlading (DOD)%: Hoe ver de batterij kan worden ontladen, wordt door de DOD aangegeven. Geen enkele batterij zal 100% ontladen zijn, aangezien dit, zoals we weten, de batterij zal beschadigen. Normaal gesproken wordt voor alle accu's een ontladingsdiepte van 80% ingesteld.

Celdimensie: een ander uniek en interessant kenmerk van de 18650-cel is zijn dimensie. Elke cel heeft een diameter van 18 mm en een hoogte van 650 mm, waardoor deze cel zijn naam 18650 krijgt.

Als u meer terminologiedefinities wilt, kijk dan in de documentatie over de terminologie van MIT Battery, waar u zeker meer technische parameters met betrekking tot een batterij zult vinden.

Gemakkelijkste manier om een ​​18650-cel te gebruiken

Als je een complete nieuweling bent en net begint met 18650-cellen om je project van stroom te voorzien, dan is de gemakkelijkste manier om kant-en-klare modules te gebruiken die je 18650-cellen veilig kunnen opladen en ontladen. Alleen zo'n module is de TP4056-module die een enkele 18650-cel kan verwerken.

Als uw project meer dan 3,6 V als ingangsspanning vereist, wilt u misschien twee 18650-cellen in serie combineren om een ​​spanning van 7,4 V te verkrijgen. Gebruik in dat geval een module zoals de 2S 3A Li-ion-batterijmodule om de batterijen veilig op te laden en te ontladen.

Om twee of meer 18650-cellen te combineren, kunnen we geen conventionele soldeertechniek gebruiken om een ​​verbinding tussen beide te maken, maar wordt een proces genaamd puntlassen gebruikt. Ook bij het combineren van 18650-cellen in serie of parallel moet meer aandacht worden besteed, wat in de volgende paragraaf wordt besproken.

Li-ionbatterijpak (cellen in serie en parallel)

Om kleine draagbare elektronica of kleine apparaten van stroom te voorzien, zou een enkele 18650-cel of hooguit een paar in serie voldoende zijn. Bij dit type toepassing is de complexiteit minder omdat het aantal batterijen dat erbij betrokken is kleiner is. Maar voor grotere toepassingen zoals een elektrische fiets / bromfiets of een Tesla-auto zullen we veel van deze cellen in serie en parallel moeten schakelen om de gewenste uitgangsspanning en capaciteit te bereiken. De Tesla-auto bevat bijvoorbeeld meer dan 6800 lithiumcellen van elk 3,7 V en 3,1 Ah. Op de onderstaande afbeelding is te zien hoe het in het chassis van de auto is gerangschikt.

Met zoveel te bewaken cellen hebben we een speciaal circuit nodig dat deze cellen veilig kan opladen, bewaken en ontladen. Dit speciale systeem wordt een batterijbewakingssysteem (BMS) genoemd. De taak van het BMS is om de individuele celspanning van elke lithiumioncel te bewaken en ook de temperatuur ervan te controleren. Daarnaast bewaakt sommige BMS ook de laad- en ontlaadstroom van het systeem.

Bij het combineren van meer dan twee cellen om een ​​pakket te vormen, moet erop worden gelet dat ze dezelfde chemie, spanning, Ah-waarde en interne weerstand hebben. Ook tijdens het opladen van de cellen zorgt het BMS ervoor dat ze gelijkmatig worden opgeladen en ontladen zodat op elk moment alle accu's dezelfde spanning behouden, dit wordt een celbalancering genoemd. Afgezien hiervan moet de ontwerper zich ook zorgen maken over het koelen van deze batterijen tijdens het opladen en ontladen, omdat ze niet goed reageren bij hoge temperaturen.

Ik hoop dat dit artikel je genoeg details heeft gegeven om een ​​beetje zelfvertrouwen te krijgen met Li-ion-cellen. Als je specifieke twijfels hebt, laat het dan achter in het commentaargedeelte en ik zal mijn best doen om terug te reageren. Tot dan gelukkig knutselen.