Technologia litowo-jonowa w budownictwie

Technologia litowo-jonowa wykorzystywana jest w bardzo różnych typach urządzeń: w laptopach, telefonach komórkowych czy elektronarzędziach. Jakie są główne zalety tej technologii? Jak skonstruowany jest akumulator litowo-jonowy? Jak przebiega proces jego ładowania? Jakim wymaganiom musi sprostać akumulator stosowany w elektronarzędziach - odpowiedzi na pytania udzielił wykładowca Politechniki Warszawskiej Piotr Figurny.

Jakie są główne zalety technologii litowo-jonowej w porównaniu do wcześniej wykorzystywanej niklowo-kadmowej?

Akumulatory litowo-jonowe mają większą pojemność niż akumulatory niklowo-kadmowe o porównywalnych pozostałych parametrach (większą gęstość energii). Dzięki temu mogą dłużej pracować bez ładowania przy mniejszej wadze. Waga i wielkość akumulatora w istotnym stopniu wpływa na wagę i wielkość samego urządzenia.
Napięcie jednego ogniwa baterii litowo-jonowej jest równe 3,6 V, a niklowo-kadmowej 1,2 V. Do konstrukcji akumulatora o takim samym napięciu używa się więc 3 razy mniej ogniw, co upraszcza konstrukcję.
Akumulatory litowo-jonowe są wygodniejsze w obsłudze - można je doładowywać w dowolnym momencie. Nie mają efektu pamięci, nie trzeba więc przed naładowaniem rozładowywać jej do końca. Mają dużo mniejszy prąd samorozładowania, nieużywane tracą około 5%-10% energii na miesiąc w porównaniu do ok. 20% dla baterii niklowo-kadmowych. Mogą więc dłużej być gotowe do użycia bez konieczności ponownego ładowania.

Na czym polega konstrukcja akumulatora w technologii litowo-jonowej?

Akumulator składa się z obudowy zabezpieczającej, jednego lub więcej połączonych ze sobą ogniw oraz z układu elektronicznego zabezpieczającego go przed nadmiernym rozładowaniem, przeładowaniem itp.
Ogniwo składa się z dwóch elektrod i separatora znajdującego się między nimi, dla zwiększenia powierzchni w formie nawiniętych razem cienkich folii. Skład chemiczny elektrod i elektrolitu zależy od producenta i typu baterii. Elektroda dodatnią jest LiCoO₂ (lub podobny materiał) a ujemną jest węgiel porowaty. Elektrolitem w separatorze są sole litowe rozpuszczone w rozpuszczalnikach organicznych. Proces ładowania polega na przemieszczaniu się jonów litu Li+ z elektrody dodatniej poprzez elektrolit do elektrody ujemnej pod wpływem przyłożonego napięcia zewnętrznego. Podczas pracy baterii jony litu Li+ wracają z elektrody ujemnej (węglowej) do elektrody dodatniej.

Jakim wymaganiom musi sprostać akumulator Li-Ion wykorzystywany w elektronarzędziach?

Akumulator powinien być lekki, niewielki oraz posiadać moc dostateczną do efektywnej obsługi narzędzia. Powinien także mieć pojemność wystarczającą do pracy przez kilka godzin oraz móc pracować w odpowiednim zakresie temperatur. Obecnie produkowane akumulatory litowo-jonowe spełniają te wymagania. Pracują w temperaturach od -20°C do 50°C. Mają moc wystarczająco dużą, mogącą przekroczyć nawet moc narzędzi przewodowych. Biorąc pod uwagę, że elektronarzędzia bezprzewodowe są dużo wygodniejsze do obsługi dla użytkownika, jeżeli ich moc będzie porównywalna a rozmiar i ciężar niewiele większy, można spodziewać się szerszego ich wykorzystania oraz zastępowania w wielu zastosowaniach narzędzi przewodowych bezprzewodowymi.

Jak przebiega proces ładowania takich akumulatorów?

Akumulator ładuje się prądem o stałym natężeniu do napięcia 4,2 V na ogniwo a następnie napięcie 4,2 V jest utrzymywane aż do zaniku prądu ładowania. Ładowanie może trwać kilka godzin i zależy od typu akumulatora. Należy stosować się do instrukcji producenta a najlepiej stosować ładowarki zalecane przez producenta. Podczas ładowania należy:

• nie przekraczać prądu ładowania
• nie przeładowywać baterii
• utrzymywać akumulator w temperaturze od 0° do 45° C.

Jak postępować z urządzeniem, by w pełni zachować właściwości akumulatorów litowo-jonowych? Jak je przechowywać?

Akumulatorów nie wolno rozładowywać poniżej pewnego poziomu. Ma on wbudowany elektroniczny system zabezpieczający, wyłączający go powyżej tego poziomu. Ze względu na samorozładowywanie nie należy przechowywać akumulatora kompletnie rozładowanego, ponieważ możne się wtedy rozładować poniżej poziomu krytycznego i ulec trwałemu uszkodzeniu. Akumulator nieużywany należy przechowywać więc częściowo naładowany (do ok. 40%). Doładowywać akumulator lepiej zanim się całkiem rozładuje. Należy go przechowywać w niskiej. Przechowywany w wysokiej temperaturze szybciej traci pojemność. Nie należy przekraczać maksymalnego prądu rozładowywania.

Na czym polega większa pojemność i wydajność tego typu akumulatora?

Akumulatory litowo-jonowe wykorzystywane są do różnego typu urządzeń, np. telefony komórkowe, laptopy i elektronarzędzia. Czy w zależności od poboru mocy akumulatory litowo-jonowe różnią się czymś od siebie?Podstawową i najbardziej oczywistą różnicą jest rozmiar i masa akumulatora. Masa ta jest proporcjonalna do zmagazynowanej energii czyli do pojemności baterii pomnożonej przez napięcie. Przy większych mocach coraz większym problemem konstrukcyjnym staje się ciepło wydzielane podczas pracy akumulatora oraz w trakcie jego ładowania. Jeżeli ciepło nie będzie odprowadzane wystarczająco dobrze, może spowodować przegrzanie i w efekcie jego uszkodzeń.Ponieważ ogniwo ma tak wysokie napięcie: 3,6V więc przemieszczenie jednego jonu litu Li+ podczas ładowania powoduje zmagazynowanie dużej energii 3,6 eV. Celem technologii jest umożliwienie przemieszczenia się jak największej liczby jonów przez odpowiednią konstrukcję chemiczną, strukturalną i geometryczną elektrod i elektrolitu. Obecnie uzyskuje się gęstości energii 100-200 Wh/kg (200-400 Wh/l), ale technologia litowo-jonowa cały czas się rozwija, można się więc spodziewać poprawiania się tych parametrów.