1 Osnovno načelo delovanja litij-ionskih baterij:
Litij-ionske baterije hranijo in sproščajo energijo s premikanjem litijevih ionov med pozitivno in negativno elektrodo.
Med postopkom polnjenja, zunanji vir energije prisili litijeve ione, da se premaknejo s pozitivne elektrode na negativno elektrodo in shranijo v materialu negativne elektrode.
Med postopkom odvajanja, se litijevi ioni sprostijo iz negativne elektrode in premaknejo k pozitivni elektrodi, pri čemer se sprosti energija za uporabo opreme.
2 Sprememba napetosti:
Na začetku polnjenja, zaradi prisotnosti notranjega upora in polarizacijskih učinkov v bateriji bo napetost razmeroma nizka.
Ko polnjenje napreduje, kemične reakcije v bateriji postopoma dosežejo ravnovesje in napetost postopoma narašča, dokler ne dosežeizklopna napetost polnjenja.
Če za primer vzamemo trikomponentne litijeve baterije, lahko njihov postopek polnjenja razdelimo na štiri stopnje: kapalno polnjenje (nizkonapetostno predhodno polnjenje), polnjenje s konstantnim tokom, polnjenje s konstantno napetostjo in zaključek polnjenja.
Med fazo postopnega polnjenja, če je napetost akumulatorja pod 3 V, bo najprej izvedeno predhodno polnjenje. V tem času je polnilni tok 1/10 nastavljenega toka, napetost pa počasi narašča. Ko napetost akumulatorja naraste nad prag postopnega polnjenja, vstopi vstopnja polnjenja s konstantnim tokom. V tem času se polnilni tok poveča, napetost akumulatorja pa postopoma narašča s postopkom polnjenja s konstantnim tokom. Na splošno je nastavljena napetost za eno baterijo 3.0-4.2V. Ko se napetost akumulatorja dvigne na 4,2 V, se polnjenje s konstantnim tokom konča in sefaza polnjenja s konstantno napetostjose začne. V tem času se polnilna napetost vzdržuje pri 4,2 V, polnilni tok pa se postopoma zmanjšuje. Ko tok pade na 1/10 nastavljenega polnilnega toka, se polnjenje konča.
Med postopkom odvajanja, je trend spreminjanja napetosti nasproten tistemu med postopkom polnjenja. Na začetku praznjenja je napetost relativno visoka. S porabo litijevih ionov in vplivom notranjega upora akumulatorja napetost postopoma pada, dokler ne dosežeizklopna napetost praznjenja.
Med praznjenjem lahko napetostno krivuljo litij-ionskih baterij razdelimo na tri stopnje. V začetni fazi napetost na priključku hitro pade in večja kot je stopnja praznjenja, hitreje pade napetost. Nato napetost akumulatorja preide v počasi spreminjajočo se stopnjo, ki se imenujeplatojsko območje baterije. Manjša kot je stopnja praznjenja, dlje traja območje platoja in višja kot je napetost platoja, počasnejši je padec napetosti. Nazadnje, ko se nivo baterije približuje izpraznitvi, napetost obremenitve baterije začne strmo padati, dokler ne dosežeizklopna napetost praznjenja.
3 Vzroki za nihanje napetosti:
1. Notranji upor baterije:Baterija med polnjenjem in praznjenjem kaže določen notranji upor, kar lahko povzroči zmanjšanje napetosti.
2. Polarizacijski učinek:Med procesom polnjenja in praznjenja bosta pozitivni in negativni pol baterije doživela polarizacijo, kar pomeni, da je porazdelitev naboja na površini elektrode neenakomerna, kar vodi do sprememb v napetosti.
3. Kinetika kemijske reakcije:Hitrost kemičnih reakcij v bateriji lahko vpliva tudi na spremembe napetosti. Hitrejša kot je hitrost reakcije, hitrejša je sprememba napetosti; Nasprotno, počasneje.
Med postopkom polnjenja in praznjenja litij-ionskih baterij se lahko napetost spreminja zaradi dejavnikov, kot so notranji upor, učinki polarizacije in kinetika kemične reakcije. Ta sprememba je običajen del delovanja baterije in pomemben indikator za ocenjevanje delovanja in zdravstvenega stanja baterije.
4 Kakšen je vpliv sprememb napetosti na delovanje litij-ionskih baterij
1. Razmerje med napetostjo in zmogljivostjo:
Na splošno je zmogljivost baterije neposredno sorazmerna z njeno napetostjo. To pomeni, da se bo z naraščanjem napetosti ustrezno povečala tudi zmogljivost baterije, kar ji bo omogočilo shranjevanje več energije. Zato imajo visokonapetostne litij-ionske baterije običajno daljšo življenjsko dobo.
2. Razmerje med napetostjo in krivuljo praznjenja:
Krivulja praznjenja je krivulja spreminjanja napetosti litij-ionskih baterij skozi čas med uporabo. Različne napetosti lahko vplivajo na obliko in naklon krivulje praznjenja. Na splošno kaže krivulja praznjenja litijevih baterij enakomeren trend padanja, vendar se lahko oblika in stopnja padanja krivulje razlikujeta glede na različne napetosti. To je zelo pomembno za normalno uporabo elektronskih naprav in natančen prikaz stanja baterije.
3. Razmerje med napetostjo in hitrostjo polnjenja/praznjenja:
Litij-ionske baterije z višjo napetostjo se lahko hitreje polnijo in praznijo. To pomeni, da če uporabljamo visokonapetostne litijeve baterije, lahko elektronske naprave hitreje popolnoma napolnimo in jih uporabljamo dlje časa. Previsoka napetost pa lahko povzroči tudi pregrevanje in poškodbe baterije, zato je treba med načrtovanjem in uporabo narediti ravnotežje.
4. Razmerje med napetostjo in varnostjo:
Prekomerno polnjenje in prekomerno praznjenje litij-ionskih baterij lahko vpliva na njihovo varnost in celo povzroči resne nesreče, kot je požar. Omejitev napetosti baterij je eden od pomembnih dejavnikov, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju krmilnih vezij za polnjenje, da se zagotovi varna uporaba baterij. Ko napetost baterije preseže normalno območje, lahko sproži zaščitni mehanizem baterije, kot je zaščita pred izklopom ali kratkim stikom, da se prepreči poškodba baterije ali varnostne nesreče.
5. Drugi učinki sprememb napetosti:
Litij-ionske baterije, ki so dlje časa v nizkonapetostnem stanju, lahko pospešijo škodljive kemične reakcije v bateriji, kot sta razgradnja elektrolita in ločevanje aktivnih snovi, kar lahko privede do nepopravljivega zmanjšanja zmogljivosti baterije.
Nizka napetost lahko povzroči tudi mikroskopske spremembe v notranji strukturi baterije, kot je neenakomerno širjenje in krčenje materialov elektrod, kar dodatno poslabša staranje baterije in poslabšanje delovanja.
Sprememba napetosti litij-ionskih baterij pomembno vpliva na njihovo delovanje. Zato je treba pri izbiri in uporabi litij-ionskih baterij v celoti upoštevati faktor napetosti ter izbrati ustrezno vrsto baterije in specifikacije na podlagi dejanskih potreb in scenarijev uporabe. Medtem je treba med uporabo paziti tudi na stanje napetosti baterije, da zagotovimo njeno varnost in stabilnost.