Τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου
Όχι μόνο τα smartphone και οι φορητοί υπολογιστές, αλλά ακόμη και τα ποδήλατα, τα αυτοκίνητα, όλα τα είδη εργαλείων που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή τροφοδοτούνται από ηλεκτρισμό. Η βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας έχει σημαντικές συνέπειες για τη βελτίωση της ευκολίας χρήσης αυτών των εργαλείων. Πάμε να μάθουμε σχετικά με την τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου.
Τι είναι μια μπαταρία ιόντων λιθίου;
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που εγκαθίστανται σε συσκευές όπως smartphone και φορητούς υπολογιστές που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Το πρωτότυπο της μπαταρίας εφευρέθηκε στα τέλη του 18ου αιώνα και έχει αναπτυχθεί για περισσότερα από 200 χρόνια από τότε. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι ένας από τους νεότερους τύπους μπαταριών που γεννήθηκαν στη διαδικασία ανάπτυξης μπαταριών.
Χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες χωρίζονται σε “κύριες μπαταρίες” που μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο μία φορά και σε “δευτερεύουσες μπαταρίες” που μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλές φορές. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι επαναφορτιζόμενες δευτερεύουσες μπαταρίες. Σε σύγκριση με άλλους τύπους μπαταριών, δεν είναι μόνο μικρές και ελαφριές, αλλά μπορούν επίσης να αποθηκεύσουν υψηλή ηλεκτρική ενέργεια.
Η αρχή λειτουργίας της μπαταρίας ιόντων λιθίου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
Εκτός από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, υπάρχουν διάφοροι άλλοι τύποι μπαταριών, και μάλιστα η βασική αρχή λειτουργίας της μπαταρίας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι η ίδια.
Μια μπαταρία έχει ένα θετικό ηλεκτρόδιο (θετικό ηλεκτρόδιο) και ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) που χρησιμοποιούν μεταλλικά υλικά και μια ουσία (ηλεκτρολύτης) που άγει ηλεκτρισμό με ιόντα γεμίζεται μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου. Το μεταλλικό ηλεκτρόδιο τήκεται από τον ηλεκτρολύτη και χωρίζεται σε ιόντα και ηλεκτρόνια.Τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο στο θετικό ηλεκτρόδιο για να δημιουργήσουν ρεύμα και στη συνέχεια παράγεται ηλεκτρισμός. Η δευτερεύουσα μπαταρία φορτίζεται πριν χρησιμοποιηθεί η μπαταρία και τα ηλεκτρόνια αποθηκεύονται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο εκ των προτέρων και τα αποθηκευμένα ηλεκτρόνια μετακινούνται στο θετικό ηλεκτρόδιο όταν η μπαταρία χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου, μια μεταλλική ένωση που περιέχει λίθιο χρησιμοποιείται προηγουμένως για το θετικό ηλεκτρόδιο και άνθρακας (γραφίτης) που μπορεί να απορροφά και να αποθηκεύει λίθιο χρησιμοποιείται για το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Μέσω μιας τέτοιας δομής, μπορεί να παραχθεί ηλεκτρισμός χωρίς την ανάγκη τήξης ηλεκτροδίων με ηλεκτρολύτες όπως στις παραδοσιακές μπαταρίες, επιβραδύνοντας έτσι τη γήρανση της ίδιας της μπαταρίας, όχι μόνο εξοικονομώντας περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια, αλλά και αυξάνοντας τον αριθμό των χρόνων φόρτισης και εκφόρτισης. Επιπλέον, το λίθιο είναι μια πολύ μικρή και ελαφριά ουσία, η οποία δίνει τη δυνατότητα στην μπαταρία να έχει διάφορα πλεονεκτήματα όπως μικρό μέγεθος και μικρό βάρος.
Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι μπαταριών Li-ion;
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου ταξινομούνται σε διάφορους τύπους ανάλογα με τα μεταλλικά υλικά που χρησιμοποιούνται στο θετικό ηλεκτρόδιο. Το μεταλλικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε αρχικά για το θετικό ηλεκτρόδιο των μπαταριών ιόντων λιθίου ήταν το κοβάλτιο. Ωστόσο, το κοβάλτιο παράγεται σχεδόν σε λίθιο, και είναι επίσης ένα σπάνιο μέταλλο με υψηλό κόστος κατασκευής. Ως εκ τούτου, έχουν χρησιμοποιηθεί υλικά όπως μαγγάνιο, νικέλιο, σίδηρος κ.λπ., τα οποία είναι φθηνά και χαμηλά σε περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου ταξινομούνται ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούν Ας ρίξουμε μια ματιά στα χαρακτηριστικά κάθε τύπου.
| Τύποι μπαταριών ιόντων λιθίου | Τάση | Αριθμός απορρίψεων | Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα |
| Μπαταρίες ιόντων λιθίου κοβαλτίου | 3,7V | 500-1000 φορές |
|
| Μπαταρία ιόντων λιθίου μαγγανίου | 3,7V | 300-700 φορές |
|
| Μπαταρίες ιόντων λιθίου φωσφορικού σιδήρου | 3,2V | 1000-2000 φορές |
|
| Τριμερής μπαταρία ιόντων λιθίου | 3,6V | 1000-2000 φορές |
|
Τύποι και χαρακτηριστικά μπαταριών ιόντων λιθίου
Μπαταρίες ιόντων λιθίου κοβαλτίου
Το θετικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου. Το οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου είναι σχετικά εύκολο στη σύνθεση και εύκολο στη χρήση, επομένως η πρώτη μαζική παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου. Επειδή όμως το κοβάλτιο είναι ένα σπάνιο μέταλλο και ακριβό, δεν χρησιμοποιείται σχεδόν καθόλου σε ανταλλακτικά αυτοκινήτων.
Μπαταρία ιόντων λιθίου μαγγανίου
Το θετικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί μαγγανικό λίθιο. Το πλεονέκτημα είναι ότι η τάση μπορεί να είναι παρόμοια με αυτή των μπαταριών ιόντων λιθίου με βάση το κοβάλτιο και το κόστος κατασκευής είναι φθηνό. Το μειονέκτημα είναι ότι το μαγγάνιο μπορεί να λιώσει στον ηλεκτρολύτη κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Μπαταρίες ιόντων λιθίου φωσφορικού σιδήρου
Το θετικό ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί φωσφορικό σίδηρο λιθίου. Τα πλεονεκτήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου με βάση το φωσφορικό σίδηρο είναι ότι ακόμη και αν η εσωτερική δομή παραγωγής θερμότητας είναι δύσκολο να καταστραφεί, είναι εξαιρετικά ασφαλείς και χρησιμοποιούν σίδηρο ως πρώτη ύλη, επομένως το κόστος κατασκευής είναι χαμηλότερο από αυτό του μαγγανίου. βασισμένες μπαταρίες. Αλλά η τάση είναι χαμηλότερη από άλλες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Τριμερής μπαταρία ιόντων λιθίου
Η τριμερής μπαταρία ιόντων λιθίου είναι μια μπαταρία κατασκευασμένη από κοβάλτιο, νικέλιο και μαγγάνιο προκειμένου να μειωθεί η ποσότητα κοβαλτίου. Επί του παρόντος, οι περισσότερες από τις τριμερείς μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν υψηλότερη αναλογία νικελίου. Αν και η τάση είναι ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή των συστημάτων με βάση το κοβάλτιο και το μαγγάνιο, το κόστος κατασκευής μπορεί να μειωθεί. Ακόμα κι έτσι, η σύνθεση και η προετοιμασία κάθε υλικού είναι δύσκολη και η σταθερότητα είναι χαμηλή, και υπάρχουν ακόμα προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν ως πρακτικά υλικά.
- Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των μπαταριών μολύβδου-οξέος και των μπαταριών ιόντων λιθίου;
Εκτός από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, υπάρχουν διάφοροι τύποι επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Μεταξύ αυτών, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι μπαταρίες με μακρά ιστορία που έχουν χρησιμοποιηθεί πριν από περισσότερα από 100 χρόνια και εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ως μπαταρίες για αυτοκίνητα ακόμα και μετά την ανάπτυξη νέων μπαταριών όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Η διαφορά μεταξύ μπαταρίας μολύβδου και μπαταρίας ιόντων λιθίου
Τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά ηλεκτρόδια των μπαταριών μολύβδου-οξέος χρησιμοποιούν μόλυβδο, επομένως το κόστος κατασκευής είναι πολύ φθηνό σε σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αλλά επειδή ο μόλυβδος είναι βαρύτερος από άλλα μέταλλα, η ίδια η μπαταρία είναι επίσης βαρύτερη. Επιπλέον, η μέγιστη τάση μπορεί να φτάσει μόνο τα 2V και η μεγάλη αυτοεκφόρτιση είναι επίσης ένα μειονέκτημα των μπαταριών μολύβδου-οξέος.
Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούνται ακόμα μπαταρίες μολύβδου-οξέος
Αν και η μπαταρία μολύβδου έχει αυτά τα μειονεκτήματα, ο λόγος για τον οποίο η μπαταρία του αυτοκινήτου δεν αντικαθίσταται με μια δευτερεύουσα μπαταρία υψηλής απόδοσης όπως μια μπαταρία ιόντων λιθίου είναι ότι είναι φθηνή, η τεχνολογία είναι βασικά ώριμη και η αξιοπιστία είναι ψηλά. Τα αυτοκίνητα εκμεταλλεύονται πλήρως τα χαρακτηριστικά των μπαταριών
μολύβδου-οξέος και δημιουργούν ένα σύστημα ανακυκλοφορίας. Εάν αντικατασταθεί με έναν νέο τύπο μπαταρίας, ο σχεδιασμός του κυκλώματος πρέπει να τροποποιηθεί.Με βάση την τρέχουσα κατάσταση ότι η μπαταρία μολύβδου-οξέος εξακολουθεί να είναι αρκετή για να λειτουργήσει, ο κατασκευαστής δεν θέλει να πληρώσει επιπλέον.
Τούτου λεχθέντος, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ήδη ως δευτερεύουσες μπαταρίες για την οδήγηση κινητήρων ηλεκτρικών οχημάτων, ηλεκτρικών υβριδικών οχημάτων κ.λπ., και υπάρχει πιθανότητα οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος να μην χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα στο μέλλον.
Σύγκριση μπαταριών μολύβδου-οξέος και μπαταριών ιόντων λιθίου
Πού χρησιμοποιούνται οι μπαταρίες ιόντων λιθίου;
Στο πρώτο μισό της δεκαετίας του 1990, οι πρώτες μπαταρίες ιόντων λιθίου για οικιακές συσκευές χρησιμοποιήθηκαν σε βιντεοκάμερες για να καλύψουν τις μικρές και ελαφριές ανάγκες τους. Έκτοτε, χρησιμοποιείται συνεχώς σε κινητά τηλέφωνα που διαδόθηκαν γρήγορα εκείνη την εποχή, και η ζήτηση της αγοράς εκτοξεύτηκε αμέσως. Σήμερα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορα σενάρια στη ζωή μας, όπως smartphone, φορητοί υπολογιστές και ηλεκτρικά οχήματα, ηλεκτρικά ποδήλατα και άλλα πεδία.
Πόσο ασφαλείς είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου;
Στην πραγματικότητα, οι μπαταρίες μπορούμε να πούμε ότι είναι δοχεία ενέργειας. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια σε υψηλή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου, απαιτούν περισσότερα μέτρα ασφαλείας από άλλους τύπους μπαταριών. Και από την άποψη της χρήσης εύφλεκτων οργανικών διαλυτών, είναι επίσης απαραίτητο να είστε πιο προσεκτικοί στη λειτουργία και τη χρήση από άλλες μπαταρίες που χρησιμοποιούν υδατικά διαλύματα.
Το πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να αποφύγετε είναι το εσωτερικό πρόβλημα βραχυκυκλώματος. Το εσωτερικό βραχυκύκλωμα αναφέρεται στην κατάσταση στην οποία η μπαταρία παραμορφώνεται από εξωτερική δύναμη και το θετικό ηλεκτρόδιο και το αρνητικό ηλεκτρόδιο βρίσκονται σε άμεση επαφή. Το ρεύμα συγκεντρώνεται εδώ, προκαλώντας σοβαρά ατυχήματα όπως αύξηση θερμοκρασίας, πυρκαγιά μπαταρίας κ.λπ. Ακόμη και πολύ μικρές ακαθαρσίες, αφού αναμειχθούν στην μπαταρία, μπορεί να προκαλέσουν εσωτερικό βραχυκύκλωμα, το οποίο απαιτεί σχεδιασμό ενός κυκλώματος προστασίας έτσι ώστε να μην ρέει υπερβολικό ρεύμα στην μπαταρία, ώστε η μπαταρία να έχει λειτουργία προστασίας από ατυχήματα.
Άλλα περιλαμβάνουν τη χρήση συσκευών ψύξης και άλλων μέσων για τη διατήρηση του περιβάλλοντος εργασίας της μπαταρίας κάτω από τους 60°C και είναι επίσης σημαντικό να ελέγχεται η θερμοκρασία της μπαταρίας. Ένα διάφραγμα τοποθετείται μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου. Εάν η θερμοκρασία υπερβεί μια ορισμένη θερμοκρασία, το διάφραγμα λειτουργεί ως πλήρες φράγμα μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου κ.λπ. Χρησιμοποιήστε διάφορες μεθόδους για να βελτιώσετε την ασφάλεια.