Μπαταρίες ιόντων Λιθίου – φόρτιση εκφόρτιση και τύποι μπαταριών
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται σήμερα σε ένα τεράστιο εύρος ηλεκτρικών συσκευών, από τα κινητά τηλέφωνα μέχρι τα υβριδικά οχήματα. Μπορούν να αποθηκεύουν μεγάλα ποσά ενέργειας ανά μονάδα βάρους (περιέχουν υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας). Έτσι παρατείνεται η διάρκεια ζωής της μπαταρίας, ενώ είναι πιο ελαφριά αφού το λίθιο είναι το πιο ελαφρύ μέταλλο.
Μπορείτε επίσης να επαναφορτίσετε την μπαταρία ιόντων λιθίου όποτε σας βολεύει χωρίς να χρειάζεται πλήρη φόρτιση ή πλήρη αποφόρτιση πράγμα το οποίο απαιτούν οι άλλες μπαταρίες για καλύτερη απόδοση. Για αυτό τον λόγο εξασφαλίζουν καλύτερη απόδοση στα οχήματα, μεγάλη αυτονομία σε σύγκριση με τις μπαταριές μόλυβδου και έχουν διπλάσια αυτονομία και πενταπλάσια διάρκεια ζωής.
Ο όρος «μπαταρία λιθίου» ή «συσσωρευτής λιθίου» αναφέρεται σε μια κατηγορία μπαταριών με διαφορετική σύνθεση, περιλαμβάνοντας πολλούς τύπους καθοδικών ηλεκτροδίων και ηλεκτρολυτών.
Οι μπαταρίες λιθίου Χωρίζονται σε:
1. Ιονικές μπαταρίες λίθιου (συμπεριλαμβανόμενες πολυμερείς μπαταρίες λίθιου)
Επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που χρησιμοποιούνται συνήθως σε ηλεκτρονικές συσκευές όπως: φορητός υπολογιστής, κινητά τηλέφωνα, συσκευές MP3, συσκευές DVD, συστήματα πλοήγησης GPS, κάμερες, ηλεκτρικά εργαλεία
2. Μπαταρίες μετάλλων λίθιου (συμπεριλαμβανομένων των μπαταριών κραμάτων λίθιου)
Μη επαναφορτιζόμενες/μίας χρήσης μπαταρίες που έχουν το μέταλλο λιθίου, οι οποίες χρησιμοποιούνται γενικά σε μικρές, φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, όπως: ρολόγια, θερμόμετρα, υπολογιστές τσέπης, ηλεκτρονική κλειδαριά αυτοκινήτου, εφεδρικές μπαταρίες υπολογιστών ή επικοινωνιακού εξοπλισμού.
Το στοιχείο Λιθίου Ιόντων, έχει ένα θετικό ηλεκτρόδιο που περιέχει οξείδιο του λιθίου. Τα ιόντα του λιθίου μεταφέρονται κατά την φόρτιση ή την εκφόρτιση από το ένα στο άλλο ηλεκτρόδιο, μέσω ενός πορώδους διαχωριστικού φύλλου εμβαπτισμένου σε ηλεκτρολύτη.
Τα στοιχεία Li-Io έχουν ονομαστική τάση 3,7 V, και προσφέρονται σε ελάχιστα μεγέθη/χωρητικότητες (ποιό γνωστά τα 450mAh και 700mAh).
Τα Li-Io ήταν μία μεγάλη εξέλιξη στον χώρο των ηλεκτρικών στοιχείων, με το εξής μειονεκτήμα :
Δεν μπορούν να εκφορτιστούν με ρεύμα μεγαλύτερο από 2C.
Για ασφάλεια από υπερβολικό ρεύμα φόρτισης, ή εκφόρτισης, πρέπει να έχουν ενσωματωμένο ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα προστασίας. Χωρίς αυτό το κύκλωμα η χρήση τους εγκυμονεί κινδύνους έκρηξης. Το κύκλωμα αυτό ανοίγει όποτε η τιμή του ρεύματος ξεπεράσει το ασφαλές όριο, αλλά δεν επανέρχεται (δεν ξανακλείνει) μόνο του, παρά μόνο αν αποσυνδεθεί πρώτα η μπαταρία από την κατανάλωση, και συνδεθεί εκ νέου.
Η φόρτιση των Li-Io γίνεται με ειδικο φορτιστή ή ειδικό πρόγραμμα σε σύνθετο φορτιστή. Δεν κάνει να χρησιμοποιηθεί για την φόρτισή τους πρόγραμμα για Li-Po, γιατί το τελευταίο δίνει μεγαλύτερη τάση από την επιτρεπόμενη για τα Li-Io (ενώ επιτρέπεται το αντίστροφο).
Στοιχεία ΛΙΘΙΟΥ-ΙΟΝΤΩΝ-ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ (Li-Io-Po)
Σήμερα τα πλέον διαδεδομένα επαναφορτιζόμενα στοιχεία Λιθίου είναι τα επονομαζόμενα Λιθίου - Πολυμερούς. Αυτά στην πραγματικότητα είναι στοιχεία "Λιθίου Ιόντων Πολυμερούς", ή Li-Po.
Πληροφοριακά αναφέρουμε ότι υπάρχουν και αυθεντικά στοιχεία "Λιθίου Πολυμερούς" τα οποία όμως δεν μπορούν να αποδόσουν σε θερμοκρασίες κάτω από 60 βαθμούς κελσίου.
Το στοιχείο του Λιθίου Ιόντων Πολυμερούς, το πορώδες διαχωριστικό φύλλο έχει αντικατασταθεί από ένα φύλλο συμπαγούς πολυμερούς υλικού, που ναι μεν είναι μη αγώγιμο στον ηλεκτρισμό, αλλά επιτρέπει να περάσουν τα ιόντα.
Τα ηλεκτρόδιά τους είναι Λίθιο στην κάθοδο, και Γραφίτης (άνθρακας) στην άνοδο. Τα στοιχεία Li-Po έχουν ονομαστική τάση 3,7V. Η πρακτική περιοχή τάσης είναι από 4,2 Volts όταν είναι φρεσκοφορτισμένα, έως 3 Volts όταν εκφορτιστούν. Η εξωτερική διαφορά από τα στοιχεία Li-Ion είναι ότι περικλείονται σε μαλακό περίβλημα που λέγεται "φάκελλος". Αυτό το γεγονός τα κάνει να είναι πολύ ελαφρυά συγκριτικά με όλα τα άλλα στοιχεία, και αποκλείει τον κίνδυνο έκρηξης, αφού δεν μπορεί να αναπτυχθεί μεγάλη πίεση στο εσωτερικό του στοιχείου, όχι όμως και τον κίνδυνο ανάφλεξης όπως θα δούμε στην συνέχεια. Η σχέση βάρους / χωρητικότητας και η ικανότητά τους να εκφορτίζονται με μεγάλες συγκριτικά εντάσεις,.
Προσοχή: Η εργασία για την σύνδεση μεμονομένων στοιχείων μεταξύ τους είτε σε σειρά, είτε παράλληλα, μέσω των γυμνών ακροδεκτών τους, εγκυμονεί κινδύνους βραχυκυκλώματος, που έχει σαν συνέπεια την ανάφλεξη του στοιχείου.
Φόρτιση
Οταν φεύγουν από το εργοστάσιο κατασκευής τους, οι Li-Po έχουν περίπου το 50% του φορτίου τους.
Τα στοιχεία Li-Io και Li-Po απαιτούν ειδικές παραμέτρους φόρτισης, που ΜΟΝΟ φορτιστές κατασκευασμένοι γι' αυτή την αποστολή (ή τα ειδικά προγράμματα Li-Io και Li-Po των σύνθετων φορτιστών) μπορούν να χρησιμοποιηθούν.
Η μέγιστη τάση φόρτισης ανά στοιχείο (σε σειρά) είναι 4,235V. Στην πράξη η τάση φόρτισης ορίζεται στα 4,2V ή στα 4,15V για περισσότερη ασφάλεια.
Αντίστοιχα, ο γενικός κανόνας ορίζει το μέγιστο ρεύμα φόρτισης στο 1C. Στο μέλλον αυτό σίγουρα θα βελτιωθεί. Αν οι τιμές της τάσης ή της έντασης κατά την φόρτιση είναι μεγαλύτερες από τις επιτρεπόμενες, υπάρχει κίνδυνος ανάφλεξης ενός ή περισσότερων στοιχείων. Η φλόγα που βγαίνει από ένα στοιχείο Li-Po θυμίζει βεγγαλικό και φθάνει τα 3-4 μέτρα.
Το ρεύμα φόρτισης αρχικά είναι 1C, αλλά μειώνεται βαθμηδόν καθώς η μπαταρία φορτίζεται, και όταν η τάση του στοιχείου φθάσει τα 4,2V, στο τέλος της φόρτισης η ένταση έχει πέσει στο 0,1-0,2C. Με αρχική ένταση το 1C η μπαταρία θα επανακτήσει το 90% της χωρητικότητάς της σε μία ώρα, ενώ το υπολοιπόμενο 10% απαιτεί 45-50 ακόμη λεπτά.
Φορτίζοντας με ρεύμα μεγαλύτερο από το επιτρεπόμενο, δεν θα κερδίσεις τόσο χρόνο που να αντισταθμίζει την αναμενόμενη μείωση της ζωής της μπαταρίας και της χωρητικότητά της, ή τον κίνδυνο ανάφλεξης των στοιχείων.
Η φόρτιση μπορεί να γίνει με τα στοιχεία σε σειρά ή παράλληλα, ή και σε συνδυασμό των δύο. Σε κάθε περίπτωση τα στοιχεία πρέπει να είναι ακριβώς τα ίδια, και δεν εννοούμε το τι γράφει η ετικέττα, αλλά το να συμπεριφέρονται ακριβώς όμοια μεταξύ τους, πράγμα όχι τόσο εύκολο στην πράξη.. Επειδή λοιπόν δεν μπορείς να είσαι σίγουρος ότι στην πράξη τα στοιχεία είναι ακριβώς ίδια, μετά το τέλος της φόρτισης, έλεγξε την τάση κάθε ενός στοιχείου χωριστά. Αν υπάρχει στοιχείο που έχει διαφορά τάσης από τα άλλα μεγαλύτερη από 0,05V, φόρτισέ το ή εκφόρτισέ το - αντίστοιχα- μεμονωμένα, για να έρθει στο επίπεδο των άλλων.
Επιτρέπεται να φορτίσεις Li-Po σε φορτιστή/πρόγραμμα Li-Io, αρκεί να επιλέξεις τον σωστό αριθμό στοιχείων και τιμή ρεύματος το 1C. Δεν επιτρέπεται να φορτίσεις Li-Io σε πρόγραμμα LI-Po.
Μην αφήνεις μόνες τις μπαταρίες λιθίου σε φόρτιση. Να τις επιβλέπεις πολύ συχνά, και να τις αγγίζεις με το χέρι για να αισθανθείς την πιθανή αύξηση της θερμοκρασίας. Μη τις φορτίζεις μέσα στη συσκευή. Στο σπίτι, τοποθέτησε την μπαταρία που φορτίζει μακρυά από εύφλεκτα υγρά, ή εύφλεκτα αντικείμενα, σε χώρο άκαυστο, και καλύτερα απομόνωσέ την σε ένα χώρο που θα φτιάξεις περιμετρικά με τούβλα, ή μέσα μεταλλικό κουτί, ή μέσα σε γυάλινο δοχείο. Μη φορτίζεις μπαταρίες λιθίου μέσα στο αυτοκίνητο.
Εάν περάσει ο προβλεπόμενος χρόνος φόρτισης και δεν έχει φορτίσει πλήρως η μπαταρία, σταμάτα την φόρτιση και θεώρησε την μπαταρία αυτή "εκτός χρήσης". Επίσης η φόρτιση πρέπει να σταματήσει οπωσδήποτε αν σύμφωνα με την ένδειξη του φορτιστή, έχει περάσει από αυτόν χωρητικότητα μεγαλύτερη από το 1,05C της μπαταρίας. Δηλαδή για μία εκφόρτισμένη μπαταρία 700mAh δεν πρέπει να περάσει περισσότερο από 735mAh. Τέλος αν φουσκώσει σημαίνει ότι έχει υπερφορτιστεί και πρέπει να χαρακτηριστεί "εκτός χρήσης".
Επειδή η τάση φόρτισης είναι πολύ κρίσιμη, κυκλοφορούν ειδικά κυκλώματα ελέγχου τάσης (προστασίας από υπέρταση) που παρεμβάλλονται στο κύκλωμα φόρτισης, όταν δεν εμπιστεύονται τον φορτιστή.
Εκφόρτιση
Οι διάφορες μάρκες ορίζουν διαφορετικές τιμές κατώτατης ασφαλούς τάσης για κάθε στοιχείο. Η εταιρεία Kokam ορίζει ότι τάση ενός εκφορτισμένου στοιχείου Li-Po, δεν πρέπει να πέσει πιό κάτω από 3,0V σε ηρεμία, ή από 2,5 V υπό φορτίο. Αν η τάση πέσει σε χαμηλότερες τιμές από αυτές που ορίζει η εταιρεία του στοιχείου, το στοιχείο θα χαλάσει.
Ολα τα στοιχεία δεν είναι της ίδιας μάρκας, και πάλι από αυτά της ίδιας μάρκας δεν είναι όλα της ίδιας γενιάς, ή της ίδιας παρτίδας. Ετσι δεν μπορούμε να ορίσουμε εδώ το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης με ένα πολλαπλάσιο του C, όπως κάναμε για άλλα είδη στοιχείων. Η πρώτη γενιά Li-Po περιόριζε το ρεύμα εκφόρτισης στα 2-3C, και η δεύτερη γενιά στα 5-6C. Σήμερα υπάρχουν στοιχεία που επιτρέπουν εκφόρτιση με 8-20C, όχι βέβαια χωρίς μείωση της ωφέλιμης χωρητικότητάς τους, ή ακόμα και της ζωής τους. Οταν αγοράζεις μία νέα μπαταρία σημείωσε επάνω της με μαρκαδόρο το μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης σύμφωνα με τις προδιαγραφές της.
Ο περιορισμός της έντασης εκφόρτισης ανά στοιχείο, μπορεί να ξεπεραστεί αν ενώσουμε δύο ή περισσότερα ίδια στοιχεία παράλληλα. Για παράδειγμα αν ένα στοιχείο μπορεί να εκφορτιστεί με ρεύμα 5Α,ενώνοντας δύο ίδια παράλληλα μπορούμε να πάρουμε ρεύμα 10Α, με τρία ίδια παράλληλα να πάρουμε ρεύμα 15Α,κ.ο.κ.
Όταν κάποια μπαταρία Li-Po εκφορτίζεται με ρεύμα πολύ μεγαλύτερο από ότι συνιστάται, για αρκετά λεπτά της ώρας η θερμοκρασία των στοιχείων θα ανέβει σε σημείο που μέσω μιάς χημικής αντίδρασης θα αυξηθεί η εσωτερική αντίσταση των στοιχείων. Αν αυτό γίνει η ισχύς της μπαταρίας ελαττώνεται.
Αποθήκευση-Συντήρηση- Προφυλάξεις
Εχουν μικρό βαθμό εκφόρτισης στην αποθήκευση. Θεωρητικά αυτό σημαίνει ότι μπορείς να τις φορτίσεις σήμερα και να τις χρησιμοποιήσης μετά από 6 μήνες. Ομως στην πράξη τα πράγματα είναι διαφορετικά.
Οι Li-Po δεν πρέπει να μένουν πλήρως φορτισμένες για περισσότερο από ένα μήνα. Εάν τις αποθηκεύσεις με πλήρη ενέργεια και για μεγάλο διάστημα, θα μειωθεί η δυνατότητα να ανακτούν όλη την ονομαστική χωρητικότητά τους. Παράλληλα, στην μακρόχρονη αποθήκευση πρέπει να ελέγχεις ότι η τάση τους δεν θα πέσει κάτω από τα 3,0V (ανά στοιχείο). Αν φοβάσαι ότι πλησιάζει η στιγμή που θα συμβεί κάτι τέτοιο, φόρτισέ τες στο 5-10%.
Μην τσακίσεις το στοιχείο. Ούτε να επιχειρήσεις να ανοίξεις το πλαστικό περίβλημά του.
Απόρριψε τα εκτός χρήσης στοιχεία σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή. Αν δεν υπάρχουν συγκεκριμένες άλλες οδηγίες, πρώτα εκφόρτισέ το, μετά άνοιξε τρύπες στο μαλα κό περίβλημά του, βύθισέ το σε αλατόνερο για δύο - τρείς ημέρες, και μετά πέταξέ το στα οικιακά σκουπίδια. Οι μπαταρίες Λιθίου θεωρούνται φιλικές στο περιβάλλον. Μην τρυπήσεις το περίβλημα όσο το στοιχείο έχει ακόμα ενέργεια. Μη τις πετάξεις στην φωτιά.
Αν ο υγρός ηλεκτρολύτης έρθει σε επαφή με το δέρμα ή τα μάτια, πρώτα ξέπλυνε την περιοχή με άφθονο νερό, και μετά πήγαινε στον γιατρό. Αν οι μπαταρίες χτυπηθούν με βίαιο τρόπο άφησέ τες επί 30 λεπτά να διαπιστώσεις αν θα εκδηλώσουν αντίδραση ή όχι. Η φωτιά μπορεί να προέλθει από την επαφή του Λϊθιου με το οξυγόνο του αέρα. Μη προσπαθήσεις να φορτίσεις στοιχείο που δείχνει έστω και μικρή ζημιά . Αν στοιχείο φουσκώσει κατά την διάρκεια της φόρτισης, διάκοψε αμέσως την φόρτιση, και απομάκρυνέ το σε ασφαλές σημείο, γιατί μπορεί να αναφλεγεί μετά από αρκετή ώρα.
Μην κάνεις το λάθος να τις βάλεις για φόρτιση με αντίστροφη πολικότητα. Θερμοκρασία αποθήκευσης και χρήσης είναι 0-50 βαθμοί κελσίου. Η θερμοκρασία τους δεν πρέπει να υπερβεί τους 70 κατά την εκφόρτιση.
Οι μπαταρίες λιθίου δεν έχουν φαινόμενο μνήμης. Φαινόμενο μνήμης είχαν οι παλαιότερες τεχνολογίες. Τι είναι όμως αυτό το φαινόμενο; Οι συμπληρωματικές φορτίσεις, στις παλαιότερου τύπου μπαταρίες -π.χ. τις αφήναμε να εκφορτίσουν ως το 80% και μετά φορτίζαμε- είχαν κακή επίδραση πάνω τους. Η μπαταρία απο κάποιο σημείο και μετά, «θυμόταν» πως στο 80% πήγαινε για … γέμισμα και όταν κάποια στιγμή θέλαμε να εκφορτίσουμε περισσότερο, η μπαταρία «νόμιζε» πως δεν είχε άλλη ενέργεια μέσα! Έτσι το ιδανικό σε εκείνες τις μπαταρίες, ήταν να τις αφήνουμε να αδειάσουν εντελώς πριν τις βάλουμε πάλι στη φόρτιση. Στις λιθίου δεν υπάρχει κανένα όφελος, το αντίθετο μάλιστα.
Οι κατασκευαστές προτείνουν να κάνουμε βυθίσεις εκφόρτισης που και που
Ναι, το προτείνουν γιατί είναι σωστό. Η χημεία ιόντων λιθίου και πολυμερούς λιθίου, δεν έχει φαινόμενο μνήμης, έχει όμως… το κύκλωμα που τις ελέγχει! Το κύκλωμα που αναφέραμε παραπάνω, διαθέτει μια «βάση δεδομένων» οπου συλλέγει στατιστικά και μετρήσεις συνεχώς. Παρακολουθεί δηλαδή την απόδοση της μπαταρίας και υπολογίζει με μαθηματικούς τύπους το «πόση χωρητικότητα» έχουν τα κελιά που ελέγχει. Εαν λοιπόν χρησιμοποιούμε πάντα τη μπαταρία όπως πρέπει, δηλαδή με μικρές φορτίσεις, μη επιτρέποντας της να αδειάσει τελείως, το κύκλωμα αρχίζει να βγάζει σφάλματα στις στατιστικές του και να θεωρεί πως οι μπαταρίες διατηρούν μικρότερη ενέργεια απο όση πραγματικά μπορούν να χωρέσουν.
Εκεί ερχόμαστε εμείς για να βελτιώσουμε αυτές τις στατιστικές. Που και που, δηλαδή περίπου κάθε 30 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, πρέπει να αφήσουμε την μπαταρία να βυθιστεί στο 3% της χωρητικότητας της. Με αυτό τον τρόπο, το κύκλωμα καταγράφει στα δεδομένα του τις πραγματικές τιμές χωρητικότητας και έτσι η μπαταρία μας θα έχει μεγαλύτερο χρόνο ζωής.
Γιατί οι μπαταρίες λιθίου θεωρούνται ως επικίνδυνα αγαθά
Οι μπαταρίες λιθίου θεωρούνται ως επικίνδυνα αγαθά εξαιτίας του γεγονότος ότι μπορούν να υπερθερμανθούν και να αναφλεχθούν κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες.
Οι μπαταρίες λιθίου, ήρθαν να επιλύσουν προβλήματα των παλαιότερων τεχνολογιών, όπως το φαινόμενο μνήμης όμως παράλληλα πρόσθεσαν και νέα προβλήματα… Ας τα δούμε ενα-ενα:
Είναι επικίνδυνες
Ναι, οι μπαταρίες λιθίου είναι επικίνδυνες , όσο περίεργο και να σας φαίνεται. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό, είναι πως τα ενεργά χημικά συστατικά που τις απαρτίζουν, διαχωρίζονται απο κάποιο μονωτικό υλικό -εσωτερικά των κελιών της μπαταρίας- το οποίο εαν διαρραγεί και τα χημικά έρθουν απότομα σε επαφή, τότε η αντίδραση είναι βίαιη και παράγει μεγάλη ποσότητα αερίων και ανεβάζει πολύ υψηλή θερμοκρασία. Ο συνδιασμός αυτός είναι που τις κάνει επικίνδυνες γιατί η βίαιη εκτόνωση θα προκαλέσει έκρηξη.
Αυτό το πρόβλημα δεν υπήρχε σε καμία παλαιότερη τεχνολογία κατασκευής όπως οι Ni-Cd και η Ni-MH.
Γιατί όμως επιλέχθηκαν επικίνδυνες μπαταρίες και πώς πήραν έγκριση;
Επιλέχθηκαν γιατί ήταν η καλύτερη τεχνολογία με πολλά θετικά χαρακτηριστικά, όπως η δυνατότητα υψηλής παροχής ρεύματος (amperes), η απάλειψη του φαινομένου μνήμης και η μεγαλύτερη χωρητικότητα ενέργειας σε μικρότερο όγκο. Το πρόβλημα της επικινδυνότητας επιλύθηκε με ηλεκτρονικές μεθόδους.
Κάθε pack μπαταριών λιθίου, περιέχει εσωτερικά ενα ενεργό έξυπνο κύκλωμα ελέγχου της κατάστασης λειτουργίας των cells. Διαθέτει επεξεργαστή και μνήμη. Η μπαταρία του laptop σας είναι ενας μικρός υπολογιστής δηλαδή, ο οποίος και επικοινωνεί με τον υπολογιστή σας συνεχώς ωστε να του αναφέρει την κατάσταση της, πιθανές ανωμαλίες στη λειτουργία, την κατάσταση φόρτισης και όλα τα συναφή.
Σε οποιαδήποτε περίπτωση υπάρξει κάποια δυσλειτουργία, το κύκλωμα ελέγχου διακόπτει τη λειτουργία των κελιών ωστε να αποφευγθεί έκρηξη. Μάλιστα είναι τόσο «έξυπνο», ωστε αν κάποιος «βάλει χέρι» στο εσωτερικό του pack και διαταράξει τις ισσοροπίες -καταμετρημένες τάσεις και ρεύματα- το κύκλωμα «σκοτώνει» οριστικά το pack μπαταριών! Έτσι πήραν έγκριση αυτές οι μπαταρίες. Μέσω αυστηρού ελέγχου απο ηλεκτρονικό κύκλωμα.
