Tutto quello che devi sapere su li

A meno che qualche Tony Stark non intervenga e inventa il reattore Arc o la ricerca sui Solar Power Satellites (SPS) per il trasferimento di energia wireless non passa, noi umani dobbiamo dipendere dalle batterie per alimentare i nostri dispositivi elettronici portatili o remoti. Il tipo più comune di batterie ricaricabili che trovi nell'elettronica di consumo è agli ioni di litio o al polimero di litio. In questo articolo, il nostro interesse sarebbe sulle batterie agli ioni di litio poiché tendono ad essere più utili di tutti gli altri tipi. Che si tratti di un piccolo power bank o di un laptop o di qualcosa di grande come il nuovo Model 3 di Tesla, tutto è alimentato da una batteria agli ioni di litio.

Cosa rende speciali queste batterie? Cosa dovresti sapere prima di utilizzarne uno nei tuoi progetti / design? Come caricherai o scaricherai queste batterie in modo sicuro? Se sei curioso di conoscere le risposte a tutte queste domande, allora sei arrivato all'articolo giusto, siediti e continua a leggere mentre cercherò di mantenerlo il più interessante possibile.

Storia della batteria agli ioni di litio

L'idea della batteria agli ioni di litio fu coniata per la prima volta da GN Lewis nel 1912, ma divenne realizzabile solo negli anni '70 e la prima batteria al litio non ricaricabile fu introdotta nei mercati commerciali. Più tardi, negli anni '80, gli ingegneri tentarono di realizzare la prima batteria ricaricabile utilizzando il litio come materiale anodico e riuscirono parzialmente. Non si sono accorti che questi tipi di batterie al litio erano instabili durante il processo di ricarica e avrebbero creato un cortocircuito all'interno della batteria aumentando la temperatura e provocando una fuga termica.

Nel 1991, una di queste batterie al litio utilizzata nel cellulare è esplosa sul viso di un uomo in Giappone. Solo dopo questo incidente ci si è resi conto che le batterie agli ioni di litio devono essere maneggiate con estrema cautela. Un numero enorme di questi tipi di batterie che erano sul mercato sono stati poi richiamati dai produttori per questioni di sicurezza. Successivamente, dopo molte ricerche, Sony ha introdotto le avanzate batterie agli ioni di litio con una nuova chimica che viene utilizzata fino ad oggi. Concludiamo qui le lezioni di storia ed esaminiamo la chimica di una batteria agli ioni di litio.

Chimica e funzionamento delle batterie agli ioni di litio

Come indica ovviamente il nome, le batterie agli ioni di litio utilizzano gli ioni di litio per portare a termine il lavoro. Il litio è un metallo molto leggero con un'elevata densità di energia, questa proprietà consente alla batteria di essere leggera e fornire alta corrente con un fattore di forma ridotto. La densità di energia è la quantità di energia che può essere immagazzinata per unità di volume della batteria, maggiore è la densità di energia più piccola sarà la batteria. Nonostante le proprietà travolgenti del litio metallico, non può essere utilizzato come elettrodo direttamente nelle batterie poiché il litio è altamente instabile a causa della sua natura metallica. Quindi usiamo ioni di litio che hanno più o meno le stesse proprietà di un metallo di litio ma non è metallico ed è relativamente più sicuro da usare.

Normalmente l'anodo di una batteria al litio è realizzato in carbonio e il catodo della batteria è realizzato utilizzando ossido di cobalto o qualche altro ossido di metallo. L'elettrolita utilizzato per collegare questi due elettrodi sarà una semplice soluzione salina che contiene ioni di litio. Quando si scaricano gli ioni di litio caricati positivamente, spostarsi verso il catodo e bombardarlo fino a quando non diventa caricato positivamente. Ora, poiché il catodo è caricato positivamente, attrae elettroni caricati negativamente verso di esso. Questi elettroni sono fatti fluire attraverso il nostro circuito alimentando così il circuito.

Allo stesso modo durante la ricarica, accade l'esatto contrario. Gli elettroni delle cariche fluiscono nella batteria e quindi gli ioni di litio si muovono verso l'anodo facendo perdere al catodo la sua carica positiva.

Introduzione alle batterie agli ioni di litio

Basta con la teoria sulle batterie agli ioni di litio, ora impariamo praticamente a conoscere queste celle in modo da poter essere sicuri di loro per l'utilizzo nei nostri progetti. La batteria agli ioni di litio più comunemente usata è la 18650 Cells, quindi parleremo della stessa cosa in questo articolo. Una tipica cella 18650 è mostrata nell'immagine sotto

Come tutte le batterie, anche la batteria agli ioni di litio ha una tensione e una capacità. La tensione nominale per tutte le celle al litio sarà di 3,6 V., quindi è necessaria una specifica di tensione più elevata, è necessario combinare due o più celle in serie per ottenerla. Per impostazione predefinita, tutte le celle agli ioni di litio avranno una tensione nominale di soli ~ 3,6 V. Questa tensione può scendere fino a 3,2 V quando è completamente scarica e arrivare fino a 4,2 V quando è completamente carica. Ricorda sempre che scaricare la batteria al di sotto di 3,2 V o caricarla sopra 4,2 V danneggerà la batteria in modo permanente e potrebbe anche diventare una ricetta per i fuochi d'artificio. Analizziamo le terminologie coinvolte in una batteria 18650 in modo che possiamo capire meglio. Tieni presente che queste spiegazioni sono applicabili solo per una singola cella 18650, approfondiremo in seguito i pacchi batteria agli ioni di litio, dove più di una cella è collegata in serie o in parallelo per ottenere valori di tensione e corrente molto più elevati.

Tensione nominale: la tensione nominale è la tensione nominale effettiva di una cella 18650. Per impostazione predefinita è 3,6 V e rimarrà lo stesso per tutte le 18650 celle nonostante i suoi produttori.

Tensione di scarica completa: non si dovrebbe mai permettere a una cella 18650 di scaricarsi al di sotto di 3,2 V, in caso contrario si altererà la resistenza interna della batteria che danneggerà la batteria in modo permanente e potrebbe anche causare un'esplosione

Tensione di carica completa: la tensione di carica per la cella agli ioni di litio è 4,2 V. È necessario fare attenzione che la tensione della cella non aumenti di 4,2 V in un dato momento.

Classificazione mAh: la capacità di una cella è normalmente espressa in termini di mAh (Milli Ampere ora). Questo valore varierà in base al tipo di cella che hai acquistato. Ad esempio, supponiamo che la nostra cella qui sia 2000mAh che non è altro che 2Ah (Ampere / ora). Ciò significa che se attingiamo 2A ​​da questa batteria durerà 1 ora e similmente se estraiamo 1A da questa batteria durerà 2 ore. Quindi, se vuoi sapere per quanto tempo la batteria ti alimenterà (tempo di esecuzione), devi calcolarlo usando il mAh Rating.

Tempo di esecuzione (in ore) = Corrente assorbita / mAh nominale

Dove, la corrente assorbita dovrebbe essere entro il limite di rating C.

Classificazione C: se ti sei mai chiesto qual è la quantità massima di corrente che puoi assorbire da una batteria, la tua risposta può essere ottenuta dalla valutazione C della batteria. La classificazione C della batteria cambia di nuovo per ciascuna batteria, supponiamo che la batteria che abbiamo è una batteria da 2 Ah con classificazione 3C. Il valore 3C significa che la batteria può emettere 3 volte la potenza nominale Ah come corrente massima. In questo caso può fornire fino a 6A (3 * 2 = 6) come corrente massima. Normalmente 18650 celle hanno solo una classificazione 1C.

Corrente massima assorbita dalla batteria = Potenza C * Potenza Ah

Corrente di carica: un'altra specifica importante di una batteria da notare è la sua corrente di carica. Solo perché una batteria può fornire una corrente massima di 6A non significa che possa essere caricata con 6A. La corrente di carica massima di una batteria sarà menzionata nella scheda tecnica della batteria poiché varia in base alla batteria. Normalmente sarà 0,5 ° C, il che significa metà del valore del rating Ah. Per una batteria da 2 Ah, la corrente di carica sarà 1 A (0,5 * 2 = 1).

Tempo di ricarica: il tempo di ricarica minimo richiesto per la ricarica di una singola cella 18650 può essere calcolato utilizzando il valore della corrente di carica e il valore Ah della batteria. Ad esempio, una ricarica della batteria da 2 Ah con una corrente di carica di 1 A richiederà circa 2 ore per caricarsi, supponendo che il caricabatterie utilizzi solo il metodo CC per caricare la cella.

Resistenza interna (IR): la salute e la capacità di una batteria possono essere previste misurando la resistenza interna della batteria. Questo non è altro che il valore della resistenza tra i terminali dell'anodo (positivo) e del catodo (negativo) della batteria. Il valore tipico di IR di una cella sarà menzionato nella scheda tecnica. Più si allontana dal valore effettivo, meno efficiente sarà la batteria. Il valore di IR per una cella 18650 sarà nell'intervallo di milli ohm e ci sono strumenti dedicati per misurare il valore di IR.

Metodi di ricarica: sono disponibili molti metodi per caricare una cella agli ioni di litio. Ma la più comunemente usata è la topologia a 3 fasi. I tre passaggi sono CC, CV e ricarica di mantenimento. In modalità CC (Constant current) la cella viene caricata con una corrente di carica costante variando la tensione di ingresso. Questa modalità sarà attiva fino a quando la batteria non verrà caricata a un certo livello, quindi il CV (tensione costante)la modalità inizia dove la tensione di carica viene mantenuta tipicamente a 4,2 V. La modalità finale è la ricarica a impulsi o la ricarica di mantenimento in cui piccoli impulsi di corrente vengono trasmessi alla batteria per migliorare il ciclo di vita della batteria. Esistono anche caricabatterie molto più complessi che prevedono 7 fasi di ricarica. Non approfondiremo questo argomento poiché è molto fuori dallo scopo di questo articolo. Ma se sei interessato a conoscere la menzione nella sezione dei commenti e posso scrivere un articolo separato sulla ricarica delle celle agli ioni di litio.

State Of Charge (SOC)%: lo stato di carica non è altro che la capacità della batteria, simile a quelle mostrate nel nostro telefono cellulare. La capacità di una batteria non può essere chiaramente calcolata con la sua valvola di tensione, viene normalmente calcolata utilizzando l'integrazione di corrente per determinare la variazione della capacità della batteria nel tempo.

Profondità di scarica (DOD)%: la distanza che la batteria può essere scaricata è data dal DOD. Nessuna batteria si scaricherà al 100% poiché come sappiamo danneggerà la batteria. Normalmente per tutte le batterie è impostata una profondità di scarica dell'80%.

Dimensione della cella: un'altra caratteristica unica e interessante della cella 18650 è la sua dimensione. Ogni cella avrà un diametro di 18 mm e un'altezza di 650 mm, il che rende questa cella il suo nome 18650.

Se desideri più definizioni terminologiche, consulta la documentazione relativa alle terminologie relative alle batterie del MIT, dove troverai sicuramente più parametri tecnici relativi a una batteria.

Il modo più semplice per utilizzare una cella 18650

Se sei un principiante assoluto e hai appena iniziato con 18650 celle per alimentare il tuo progetto, il modo più semplice sarebbe utilizzare moduli già pronti che possono caricare e scaricare in sicurezza le tue 18650 celle. Solo tale modulo è il modulo TP4056 che può gestire una singola cella 18650.

Se il progetto richiede più di 3,6 V come tensione di ingresso, è possibile combinare due 18650 celle in serie per ottenere una tensione di 7,4 V. In tal caso, utilizzare un modulo come il modulo batteria agli ioni di litio 2S 3A dovrebbe essere utile per caricare e scaricare le batterie in sicurezza.

Per combinare due o più 18650 celle non possiamo utilizzare la tecnica di saldatura convenzionale per creare una connessione tra le due, invece viene utilizzato un processo chiamato saldatura a punti. Inoltre, durante la combinazione di 18650 celle in serie o in parallelo, è necessario prestare maggiore attenzione a quanto discusso nel paragrafo seguente.

Pacco batterie agli ioni di litio (celle in serie e in parallelo)

Per alimentare piccoli dispositivi elettronici portatili o piccoli dispositivi una singola cella 18650 o al massimo un paio di essi in serie farebbe il trucco. In questo tipo di applicazione la complessità è minore poiché il numero di batterie coinvolte è minore. Ma per applicazioni più grandi come un ciclo elettrico / ciclomotore o un'auto Tesla dovremo collegare molte di queste celle in serie e in parallelo per ottenere la tensione e la capacità di uscita desiderate. Ad esempio, l'auto Tesla contiene oltre 6800 celle al litio ciascuna di 3,7 V e 3,1 Ah. L'immagine sotto mostra come è disposto all'interno del telaio dell'auto.

Con questo numero di celle da monitorare, abbiamo bisogno di un circuito dedicato che possa semplicemente caricare, monitorare e scaricare queste celle in sicurezza. Questo sistema dedicato è chiamato sistema di monitoraggio della batteria (BMS). Il compito del BMS è monitorare la tensione delle singole celle di ogni cella agli ioni di litio e verificarne la temperatura. A parte questo, alcuni BMS monitorano anche la corrente di carica e scarica del sistema.

Quando si combinano più di due celle per formare un pacco, è necessario fare attenzione che abbiano la stessa chimica, tensione, classificazione Ah e resistenza interna. Inoltre, durante la carica delle celle, il BMS si assicura che siano caricate e scaricate in modo uniforme in modo che in qualsiasi momento tutte le batterie mantengano la stessa tensione, questo è chiamato bilanciamento delle celle. Oltre a questo, il progettista deve anche preoccuparsi di raffreddare queste batterie durante la carica e la scarica poiché non rispondono bene alle alte temperature.

Spero che questo articolo ti abbia fornito abbastanza dettagli per farti acquisire un po 'di confidenza con le celle agli ioni di litio. Se hai dubbi specifici, non esitare a lasciare il nella sezione commenti e farò del mio meglio per risponderti. Fino ad allora felice armeggiare.