Замініть батареї SLA на Li-Ion технологію

Нещодавні інновації в хімії літій-іонів зробили цю технологію надзвичайно конкурентоспроможною на ринках, чутливих до ваги та незручності через необхідність герметизованої свинцевої кислоти в частому обслуговуванні.

li-ion

Програми, що вимагають високої напруги та високої ємності, застосовують літій-іонну (Li-ion) технологію через високу щільність енергії, малі розміри та малу вагу. Використання Li-ion для портативного обладнання пропонує багато переваг перед старими акумуляторними технологіями.

Характеристики літій-іонних акумуляторів включають номінальну напругу 3,6 В, тисячі робочих циклів за життя, час зарядки менше трьох годин і типову швидкість розряду приблизно 10% на місяць при зберіганні. Рис. 1 ілюструє, що літій-іонна технологія забезпечує яскраво виражену перевагу щільності енергії як щодо обсягу, так і ваги.

Також важливо відзначити розмір літій-іонного міхура; він представляє безліч ароматів літій-іонів, доступних на ринку. Потрібно розуміти специфічні характеристики хімії кожної літій-іонної клітини - з точки зору напруги, циклів, струму навантаження, щільності енергії, часу заряду та швидкості розряду, щоб визначити комірку, яка підходить для застосування.

Історично склалося так, що герметичні свинцево-кислотні акумулятори (SLA) мали кілька чудових технічних характеристик, крім надзвичайно низької вартості, що утримувало їх у лідерах на загальному ринку акумуляторів. Очікується, що ринки літій-іонних батарей та батарей SLA зростуть протягом наступних кількох років, але, як очікується, літій-іонні батареї обійдуть рівень SLA в деяких областях.

Системи літій-іонних акумуляторів є хорошим варіантом, коли вимоги визначають меншу вагу, вищу щільність енергії або сукупну напругу або більшу кількість робочих циклів. Звичайна літій-іонна хімія, розроблена для портативних додатків, таких як ноутбуки та мобільні телефони, розроблена для забезпечення найвищої щільності енергії за розміром та вагою.

Як правило, ці додатки не мають високих поточних вимог і відносно чутливі до ціни, тому звичайні літій-іонні елементи на основі Co підходять для додатків, які повинні бути меншими та легшими. Нові літій-іонні хімії оптимізовані для ринку електроінструментів та електромобілів.

Ці клітини на основі Fe-фосфату мають надзвичайний термін служби та здатність подавати струм, але їх об'ємна щільність енергії менша, а авансова вартість більша. Вони більш піддаються безпосередньому використанню зарядного пристрою SLA і підходять для заміни технології SLA, коли загальна вартість володіння та зменшення ваги є головними цілями.

Батареї використовують хімічну реакцію, щоб працювати і виробляти напругу між їх вихідними клемами. Реакція свинцю та оксиду свинцю з електролітом сірчаної кислоти створює напругу в свинцево-кислотному акумуляторі.

БУДІВНИЦТВО ПЛАН

Клітина SLA має одну пластинку свинцю, а іншу - діоксиду свинцю, з сильним електролітом сірчаної кислоти, в яку занурені пластини. Характерна напруга утворення сульфату свинцю становить близько 2 В на осередок, отже, поєднуючи шість осередків, ви отримуєте типову 12-В батарею.

Рис.2 - крива розряду акумуляторів SLA; зверніть увагу на майже лінійний нахил вниз. Залежність між часом розряду (в амперах, натягнутих) є досить лінійною при низьких навантаженнях. Зі збільшенням навантаження час розряду страждає, оскільки частина енергії акумулятора втрачається через внутрішні втрати. Це призводить до нагрівання батареї.

Ефективність батареї виражається числом Пекерта, яке, по суті, відображає внутрішній опір акумулятора. Значення, близьке до 1, вказує на якісний акумулятор з невеликими втратами. Більше число відображає менш ефективний акумулятор.

Акумулятори SLA найбільше напружуються, якщо розряджаються при постійному навантаженні до точки закінчення розряду. Періодичне навантаження забезпечує рівень відновлення тієї самої хімічної реакції, яка виробляє електричну енергію. Через досить мляву поведінку період спокою в спокої особливо важливий для свинцевої кислоти. Є перевага. Перевагою цієї кривої є просте вимірювання напруги, яке можна використовувати для вимірювання палива.

БУДІВНИЦТВО ЛІІЙ-ІОНУ

Три основні функціональні компоненти літій-іонної батареї - це анод, катод та електроліт. Іони літію рухаються від негативного електрода (катода) до позитивного електрода (анода) під час розряду, а від катода до анода при заряді. Для кожного внутрішнього компонента клітини можуть бути використані різні матеріали; найпопулярнішим матеріалом для анода є графіт, але деякі виробники використовують кокс.

Залежно від вибору матеріалу для анода, катода та електроліту, напруга, ємність, термін служби та безпека літій-іонної батареї можуть різко змінюватися. Електрохімічна реакція виробляє близько 3,5 В залежно від хімії та марки, тому чотири клітинки послідовно можуть виробляти діапазон номінальних напруг від 12,8 до 14,8 В.

Електроліт - це неводний розчин солі літію. Катод, як правило, є одним із трьох матеріалів: шаруватий оксид (наприклад, оксид кобальту), такий, що базується на поліаніоні (наприклад, фосфат заліза), або шпінель (наприклад, марганець). Акумуляторні батареї, виготовлені з Li-ion, не є простою конфігурацією елементів. Це ретельно розроблена продукція з багатьма функціями безпеки. Основні компоненти акумуляторної батареї включають елементи, які є основним джерелом енергії; плата ПК, яка забезпечує системну розвідку; пластиковий корпус; зовнішні контакти; та утеплювач. Внутрішні характеристики акумуляторної батареї показані в Рис.3.

Прямий замін SLA на літій-іон

Таблиця порівнює літій-іонні акумуляторні батареї, виготовлені з традиційними кооксидними хімічними елементами та батареями SLA. У першій колонці представлено шість батарей SLA послідовно і дві паралельно. Наступні дві колонки - це дві літій-іонні конфігурації літій-іонних елементів 18650: 4S 2P та 3S 6P, розроблені для забезпечення подібної продуктивності та тривалості роботи SLA.

Конфігурація послідовності визначає напругу, а паралельні комірки визначають ємність. Час роботи схожий, але літій-іонні акумулятори займають приблизно одну п'яту об'єму і приблизно одну сьому вагу. На жаль, пакети, виготовлені із звичайних хімічних речовин, не сумісні із зарядними пристроями SLA.

ПОРІВНЯННЯ ХІМІЙ

Пряме порівняння свинцево-кислотних акумуляторів та літій-іонних акумуляторів складно. Робота клітин настільки принципово відрізняється, що безпосереднє заміщення та порівняння є важким.

Час роботи SLA визначається не тільки потужністю, але також сильно залежить від швидкості, як видно з Рис.2. Крім того, батареї SLA неможливо повністю розрядити. Напруги не відповідають обом хімікам.

Переваги нових високошвидкісних хімічних речовин з Fe-фосфатних клітин включають підвищену безпеку, низький імпеданс і високу швидкість розряду, а також напругу, яка добре відповідає технології SLA з кроком 12 і 24 В. Ці конструктивні особливості дозволяють використовувати звичайний зарядний пристрій SLA. В Рис.4, можна побачити ефективність клітин A123, приклад високошвидкісних комірок. Елементи забезпечують практично повну ємність при високій швидкості 30 А. Тут ми можемо побачити, наскільки рівною є напруга розряду літій-іонного елемента, що є проблемою для вимірювання палива.

Перейти до наступної сторінки

Традиційні лічильники палива для Li-ion контролювали або напругу, або потужність, і точність була досить обмеженою завдяки тій плоскій кривій розряду, яку ми бачили раніше. Нові газові датчики контролюють кількість кулонів, що передаються, і умовно калібрують за напругою розімкнутого контуру блоку Li-ion, що дозволяє кінцевому користувачеві розумно керувати використанням пристрою та уникати несподіваних збоїв або відключень.

ПИТАННЯ ЗАРЯДКИ

Для літій-іонних батарей постійний струм/постійна напруга (CC/CV) є єдиним загальноприйнятим способом заряджання літій-іонних батарей. Постійний струм, що дорівнює або менший за максимальну швидкість заряду, подається на акумулятор до досягнення максимальної напруги заряду. У цей момент робочий режим переходить до постійної вихідної напруги, яка зберігається до тих пір, поки не буде виконано критерій припинення заряду.

Літій-іонний акумулятор повністю заряджається, коли досягнуто максимальної напруги зарядки, і значення струму заряду падає нижче певної частки - зазвичай від 1/30 до 1/10 - від максимальної швидкості заряду акумулятора. Існує дуже велика ймовірність того, що режим заряду SLA, вже вбудований у пристрій або зарядну платформу, не зарядить літій-іонну батарею, одночасно максимізуючи безпеку, ємність батареї або термін служби батареї.

МЕТОДОЛОГІЇ ЗАРЯДЖЕННЯ

Існує кілька методологій зарядки акумуляторів SLA. Завдяки універсальності хімії акумуляторів SLA, зарядна електроніка проста і дешева, і існує безліч варіантів, таких як:

  • Ручка: зарядка зі швидкістю, еквівалентною швидкості саморозряду
  • Поплавок: акумулятор і навантаження постійно паралельно з'єднані між джерелом зарядки постійного струму і утримуються на постійній напрузі
  • Конусність: або постійна напруга, або постійний струм подається на батарею через комбінацію трансформаторів, діодів та опору. Струм зменшується із збільшенням напруги в комірці
  • Постійне заряджання напруги з обмеженням струму: метод заряду постійної напруги, з обмеженням струму, застосовує максимально допустиму напругу заряду, але має обмеження струму для управління початковим струмом поглинання.
  • Трифазна зарядка: найдосконаліший спосіб зарядки акумуляторів SLA. Перший етап - це об'ємна зарядка. Коли досягнута задана напруга, зарядний пристрій переходить у фазу постійної напруги, і струм, що набирається акумулятором, поступово падатиме. Кінцевою фазою є фаза поплавця.

Коли виробник пристрою розглядає можливість переходу з технології SLA на літій-іонну батарею, у нього є кілька варіантів розміщення електроніки контролю заряду. Якщо клієнтська база пристрою дозволить здійснити оптову заміну зарядного пристрою, найпростіший спосіб полягає в повній заміні електроніки заряду SLA на літій-іонну зарядну електроніку в зарядному відсіку.

Новий літій-іонний зарядний пристрій сумісний із батареями SLA із зворотною стороною, але старий зарядний пристрій SLA не сумісний із новою технологією літій-іонних акумуляторів. Літій-залізний фосфат забезпечує хороший компроміс для переходу від SLA, оскільки він буде працювати з більшістю способів зарядки SLA. Помітним винятком з фосфатом літію-заліза є те, що неперевірений струмінь заряду перезаряджає клітини.

ЗАКЛЮЧНІ РОЗМІРКИ

Важливо вибрати постачальника акумуляторних батарей, який має досвід у проектуванні, розробці та виробництві батарей для вашої галузі. Більшість літій-іонних акумуляторних батарей виготовляються на замовлення для кожної програми.

Готові акумуляторні блоки можна придбати, але вони спеціально створені для великих обсягів ноутбуків, мобільних телефонів, камер та іншої побутової електроніки. У промисловому, медичному та військовому обладнанні майже завжди використовуються спеціальні літій-іонні продукти.

На відміну від цього, акумулятори SLA майже завжди є готовими продуктами, що мають кілька загальних напруг і ємностей. Їх можна придбати у багатьох торгових марок у багатьох торгових точках.

Літій-іон також є більш екологічним, ніж SLA. Європа лідирує у забезпеченні екологічного регулювання, найбільш актуальним законодавчим актом є Директива ЄС про батареї, яка забороняє або встановлює максимальну кількість хімічних речовин та металів у батареях. Це вимагає належного поводження з відходами цих акумуляторів, включаючи переробку, збір, програми “повернення” та утилізацію. Крім того, він встановлює фінансову відповідальність за програми.

У Північній Америці не існує загального закону щодо переробки акумуляторів, але федеральний закон вимагає керувати використаними Ni-Cd та свинцево-кислотними акумуляторами, оскільки Universal Waste, а в 38 штатах заборонено утилізувати свинцеві батареї, тоді як Li-ion може бути утилізувати, як правило, у більшості районів і легко переробити.

Рис.5 передає економічні компроміси між SLA та двома літій-іонними хімічними розчинами. Звичайно, у цій економічній моделі є багато деталей, таких як вартість доставки та простота заміни акумулятора, тому важливо перевірити особливості, перш ніж приймати рішення.

Протягом терміну служби виробу близько 10 років SLA потрібно було б замінити п'ять разів. Пакет оксиду кобальту з подібною місткістю коштував би приблизно вдвічі дорожче, але термін його служби майже вдвічі довший, ніж у SLA.

Первісна вартість була б більшою, але протягом усього терміну експлуатації загальна вартість може бути нижчою. Пакет літій-іонних фосфатів заліза, швидше за все, буде приблизно втричі-чотири рази перевищувати вартість, але термін служби циклу настільки довгий, що розчин майже напевно матиме нижчу вартість протягом життя продукту.