Ogniwa Li-Ion
Podstawowe informacje
Jest to najstarszy i najpopularniejszy typ ogniw. Zależnie od wariantu oferują napięcie znamionowe 3,6V lub 3,7V. Napięcie maksymalne wynosi 4,2V dla współczesnych ogniw, ale pierwsze były ograniczone do 4,1V. Najczęściej znaleźć je można w bateriach do laptopów i innych urządzeń przenośnych, elektronarzędziach i w pojazdach elektrycznych. Miewają najróżniejsze kształty i rozmiary, ale występują też w kilku standardach. Najczęściej jednak są w formie cylindrycznych ogniw z obudowami metalowymi, albo w formie płaskich ogniw zapakowanych w twarde, plastikowe lub metalowe opakowania.
Żywotność ogniw Li-Ion wynosi minimalnie 300-500 cykli ładowania, ale typową wartością jest jednak 800-1000 cykli.
Ogniwa cylindryczne
Rozmiary tych ogniw są standardowe i oznaczone pięciocyfrowymi kodami. Pierwsze dwie cyfry oznaczają średnicę w milimetrach, kolejne trzy długość. Wyjątkiem od tej zasady są ogniwa o oznaczeniach 07540 i 08570, gdzie ich wymiary to odpowiednia 7,5mm średnicy na 40mm długości oraz 8,5mm średnicy na 70mm długości.
Najczęściej występującym rozmiarem ogniw jest 18650, czyli 18mm x 65mm. Oferują pojemności do 3500mAh, choć ja najczęściej spotykałem ogniwa od 1200mAh do 2400mAh. Chińskie, tanie ogniwa czasem mają zadeklarowaną pojemność 2000-3000mAh, podczas gdy w praktyce osiągają około 500-600mAh. Odzyskałem z baterii laptopowych ponad setkę ogniw w tym rozmiarze, praktycznie wszystkie renomowanych producentów, i tylko częściowo zużyte.
Kolejnymi, popularnymi rozmiarami są 21700 i 26650. Ogniwa 21700 są produkowane głównie przez firmę Tesla i oferują pojemność 3000-5000mAh. Z kolei ogniwa 26650 oferują pojemność 2400-5750mAh i są używane tam, gdzie potrzeba więcej mocy. Mam dwa takie ogniwa w latarce z diodą Cree XH-P70.
Używanie ogniw Li-Ion
Napięcie maksymalne ogniwa Li-Ion wynosi 4,2V, minimalne zaś 3V. Ogniwo można rozładować do 2,5V, ale to skraca jego żywotność. Ogniwo rozładowane poniżej 2,5V ulega degradacji i nie powinno być używane, choć można je "odratować". Ogniwa rozładowane poniżej 2V nadają się tylko do śmieci.
Ogniwa nieużywane tracą 3-5% pojemności na rok. Proces można spowolnić przechowując je w lodówce, w szczelnym opakowaniu i z pochłaniaczem wilgoci. Ogniwa litowo-jonowe źle znoszą przegrzewanie - redukuje ono ich pojemność i żywotność, podnosi impedancję wewnętrzną. Z tego też powodu ogniwa te źle znoszą przeciążanie.
Prąd ładowania i rozładowania jest wyrażany w formie mnożnika pojemności ogniwa. Prąd 1C dla ogniwa o pojemności 1000mAh wynosi 1000mA, czyli 1A. Prąd 0,5C dla ogniwa 2000mAh też wynosi 1000mA czyli 1A.
Dla ogniw cylindrycznych maksymalny prąd rozładowania nie powinien przekraczać 1,5C. Ogniwa płaskie mogą czasami znieść prąd 2C kosztem żywotności. Oczywiście można spotkać ogniwa "wysokoprądowe", ale w ich wypadku przez wysoką temperaturę pracy żywotność jest mocno ograniczona.
Ogniw bezwzględnie nie wolno zwierać, gdyż prowadzić to może do pożaru lub wybuchu!
Ładowanie ogniw wymaga dedykowanej ładowarki albo przyzwoitego zasilacza laboratoryjnego. W procesie ładowania używa się źródła prądowego o maksymalnym napięciu 4,2V i prądzie regulowanym zależnie od pojemności ogniwa. I tak ogniwo o napięciu 2,5-3V ładuje się prądem 0,05-0,1C, od napięcia 3V do 4,2V prądem 0,5-1C. Gdy ogniwo osiągnie napięcie 4,2V, należy monitorować prąd ładowania. Proces ładowania jest zakończony, gdy prąd ładowania spadnie do 0,03C. Wtedy należy zaprzestać dalszego ładowania by nie uszkodzić ogniwa.
Ogniw nie wolno traktować napięciem wyższym niż 4,2V, gdyż może to prowadzić do pożaru lub wybuchu, a na pewno do zniszczenia ogniw!
W teorii można ładować dwa ogniwa połączone szeregowo bez balansera lub układu BMS. Oba ogniwa muszą być identyczne pod względem pojemności i liczby cykli ładowania. Tanie latarki i e-papierosy stosują takie rozwiązania, ale ja im nie ufam - wystarczy nieduża różnica między parametrami ogniw, by któreś z nich przeładować z katastrofalnym skutkiem.
Zalecam używanie dedykowanej ładowarki lub kontrolera ładowania ogniw. Układy i moduły takie są bardzo tanie, a dedykowane ładowarki niewiele droższe. Osobiście używam ładowarki XTAR VC-4 i nie mam powodów do narzekania.
"Ratowanie" ogniw i ich "regeneracja"
Poniższą metodę "ratowania" zbyt głęboko rozładowanych ogniw przedstawiam tylko jako ciekawostkę i kategorycznie odradzam jej stosowanie, gdyż jest to metoda wręcz niebezpieczna. Nie biorę na siebie odpowiedzialności za ewentualne uszczerbki na zdrowiu i mieniu.
Ogniwo o napięciu między 2V a 2,5V łączymy biegunami ujemnymi z drugim ogniwem o napięciu przynajmniej 2,8V. Biegun dodatni pełniejszego ogniwa łączymy przez rezystor 1?/5W z ogniwem rozładowanym na maksymalnie 0,5-1s. Zarówno ogniwa, jak i rezystor powinny być co najwyżej ciepłe w dotyku. Jeśli któreś z ogniw, zwłaszcza to głęboko rozładowane zacznie być gorące, proces należy bezwzględnie przerwać! Po udanym cyklu należy sprawdzić napięcie obu ogniw. Powtarzać w miarę potrzeby. Oba ogniwa powinny mieć napięcie powyżej 2,5V. "Uratowane" ogniwo należy naładować do pełna zważając na jego temperaturę - jeśli zacznie parzyć, należy przerwać ładowanie - ogniwo jest zniszczone i nadaje się tylko do śmieci.
O wiele przydatniejszy okazał się proces "regeneracji" ogniw, które miały problemy ze zbyt dużym samorozładowaniem i oporem wewnętrznym. Proces ten nie poprawia pojemności ogniw, ale może im przedłużyć życie i zmniejszyć przegrzewanie się. Na dłuższą metę nie ma jednak sensu, bo nowe i używane ogniwa nie są ani ekstremalnie drogie, ani trudnodostępne. Proces przebiega następująco:
Ogniwa należy najpierw naładować do pełna, następnie owija się je papierem toaletowym kilka razy (pełni funkcję izolacji i pochłaniacza wilgoci zarazem), i pakuje do torebki foliowej, którą należy szczelnie zawiązać. Tę torebkę pakuje się do drugiej, którą też się związuje. Tak spreparowaną paczkę należy wsadzić do zamrażarki na 24-48 godzin, przenieść z zamrażarki do lodówki na kolejne 48 godzin, a potem zostawić w temperaturze pokojowej na kolejne 24-48 godzin. Ogniwa następnie należy rozładować do 3V w toku normalnego użytkowania i naładować ponownie do pełna.
Łączenie ogniw Li-Ion
Równolegle można łączyć ogniwa różnych pojemności. Pojemność takiego pakietu będzie sumą pojemności wszystkich ogniw. Przed łączeniem ogniw należy się upewnić, by miały takie samo napięcie - inaczej z ogniwa lub ogniw o wyższym napięciu popłynie duży prąd do ogniwa lub ogniw o napięciu niższym, co w skrajnych wypadkach może skończyć się pożarem lub wybuchem. Równolegle nie powinno się łączyć więcej, jak ośmiu ogniw ze względów bezpieczeństwa, ale domorośli budowniczowie akumulatorów często ignorują to zalecenie.
Przy łączeniu szeregowym wszystkie ogniwa lub pakiety ogniw w szeregu muszą mieć taką samą pojemność. Dodatkowo taki pakiet należy zaopatrzyć w balanser lub układ BMS, który zapewni równomierne ładowanie poszczególnych ogniw lub pakietów w szeregu. Przy łączeniu szeregowym pojemność się nie zmienia, za to sumuje się napięcie i ilość energii przechowywanej w akumulatorze.
Akumulatory litowe często bywają opisane w formie xsyp, na przykład 3s2p. Pierwsza liczba podaje ilość pakietów w szeregu, druga liczbę ogniw połączonych równolegle w pakiecie. Układ 3s2p oznacza trzy pakiety szeregowo po dwa ogniwa równolegle.
Zabezpieczenia ogniw
Niektóre ogniwa cylindryczne i wiele ogniw płaskich ma wbudowany układ zabezpieczający. Układ taki stanowi zabezpieczenie nadprądowe (OCP - overcurrent protection), przed zbyt wysokim napięciem (OVP - overvoltage protection) i nadmiernym rozładowaniem (UVP - undervoltage protection). Jeśli ogniwo pracuje w pakiecie szeregowym, to za te wszystkie zabezpieczenia odpowiada układ BMS. Układ BMS może też mieć zabezpieczenie przed przegrzaniem (OTP - overtemperature protection) w formie termistora, który należy przykleić do jednego z ogniw. Niestety, praw fizyki nie da się zmienić, więc układy te wymagają zasilania, i pobierają je z zabezpieczanego ogniwa. W przypadku układów BMS jest to zwykle najniższe ogniwo w szeregu - dlatego stare baterie laptopowe mają często pierwsze ogniwa rozładowane do niemal zera. Można też kupić moduły ładowarek pojedynczych ogniw wyposażone w ukłąd zabezpieczający, a także same moduły zabezpieczające.
Osobiście uważam, że warto zabezpieczać ogniwa, ale nie jest to koniecznością w każdym przypadku - poprawnie używane ogniwa są bezpieczne.
Zwiększanie żywotności ogniw litowych
Wszystkie typy ogniw starzeją się w miarę używania, a nawet od zwykłego leżenia. Są jednak sposoby, by ogniwa pracowały dłużej.
Przechowywanie
Nieużywane ogniwa warto naładować do napięcia ~3,8V (35-40% pojemności) i przechowywać w lodówce w suchym i hermetycznym opakowaniu. Ogniwa tak przechowywane stracą tylko ~2% swojej pojemności na rok. Za to ogniwa przechowywane w temperaturze 25 stopni i w stanie pełnego naładowania tracą nawet ~20% pojemności na rok.
Ładowanie ogniw
Dobrym sposobem na zwiększenie liczby cykli ładowania i rozładowania ogniwa jest ładowanie go do niższego napięcia, niż 4,2V. Ilustruje to poniższa tabelka z jednego z eksperymentów:
| Napięcie | Liczba cykli | Pojemność |
| 4,3V | 150-250 | 110-115% |
| 4,25V | 200-350 | 105-110% |
| 4,2V | 300-500 | 100% |
| 4,15V | 400-700 | 90-95% |
| 4,1V | 600-1000 | 85-90% |
| 4,05V | 850-1500 | 80-85% |
| 4V | 1200-2000 | 70-75% |
| 3,9V | 2400-4000 | 60-65% |
Jak widać, za każdym obniżeniem napięcia ładowania o 0,1V podwajamy liczbę cykli, kosztem maksymalnej dostępnej pojemności. Takie rozwiązanie ma szczególnie dużo sensu w stacjonarnych systemach przechowywania energii, zwłaszcza jeśli użyte ogniwa na starcie mają żywotność 800-1000 cykli.
używanie ogniw
Im mniejszy prąd jest pobierany z ogniwa, tym mniejszy stres dla ogniwa, tym dłuższa żywotność. Temperatura pracy ogniwa też wpływa na jego pojemność. Poniższa tabelka (sprzed siedmiu lat) pokazuje, o ile spada pojemność ogniw co 50 cykli w funkcji temperatury pracy.
| Liczba cykli | 25°C | 35°C | 45°C | 55°C |
| 50 | -0,79% | -1,37% | -1,4% | -1,86% |
| 100 | -1,72% | -2,62% | -3,05% | -4,07% |
| 150 | -0,26% | -3,93% | -5,01% | -7,29% |
| 200 | -3,29% | -5,55% | -6,7% | -10,48% |
| 250 | -4,22% | -6,57% | -8,74% | -13,24% |
Szybkie ładowanie ogniw i duże prądy rozładowania podnoszą ich temperaturę z powodu impedancji wewnętrznej. Może to prowadzić do egzotermicznej reakcji rozkładu elektrolitu, co kończy się pożarem lub wybuchem ogniwa.
Ogniwa Li-Po
Ogniwa litowo-polimerowe w praktyce prawie niczym się nie różnią od ogniw litowo-jonowych. Ze względu na użycie elektrolitu i separatora w formie żelu ogniwa te mogą być wyjątkowo płaskie, dlatego najczęściej są zapakowane w torebki z tworzyw sztucznych. Są przez to lżejsze, ale bardziej podatne na uszkodzenia mechaniczne. Oferują też mniejszą gęstość energetyczną, niż ich litowo-jonowe odpowiedniki. Mogą przybierać różne kształty i rozmiary, przez co są wykorzystywane w najróżniejszych urządzeniach przenośnych, zwłaszcza w smartfonach i tabletach. Ogniwa litowo-polimerowe nie ulegają samorozładowaniu w takim stopniu, co ogniwa litowo-jonowe, dzięki czemu mogą być przechowywane dużo dłużej. Ponadto lepiej tolerują wyższe prądy ładowania i rozładowania. W zamian za to nie dość, że są droższe w produkcji, to jeszcze mają mniejszą żywotność.
Ogniwa litowo-polimerowe należy traktować tak samo, jak ogniwa litowo-jonowe, dlatego nie będę tu powtarzał tych samych informacji.
Ogniwa LiFePO4
Podstawowe informacje
Ogniwa LiFePO4 znacząco różnią się od pozostałych typów ogniw litowych. Oferują niższą gęstość energetyczną, ale są dużo bardziej stabilne, znacząco lepiej znoszą duże prądy rozładowania i znacząco wyższą żywotność. Ogniwa LiFePO4 oferują minimum 1000 cykli ładowania, maksimum to ponad 10 tysięcy cykli (!).
Minimalne napięcie ogniwa LiFePO4 wynosi 2V, typowe napięcie zaś to 3,2V. Napięcie w pełni naładowanego ogniwa to 3,65V. Niestety, główną wadą tego typu ogniwa jest niska gęstość energetyczna oraz wysoki współczynnik samorozładowania - z tych względów nie są stosowane w urządzeniach przenośnych. Ogniwa te gorzej znoszą ujemne temperatury, ale lepiej tolerują upały.
Używanie ogniw LiFePO4
Ogniwa LiFePO4 są dużo bezpieczniejsze w użyciu. Obciążanie dużymi prądami nie robi na nich wrażenia, a zwarcie nie prowadzić do termicznego rozkładu kończącego się pożarem. Dlatego ogniwa tego typu są stosowane w pojazdach elektrycznych, czasem w latarkach i e-papierosach, oraz jako alternatywa dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych i żelowych w systemach przechowywania energii.
Proces ładowania przebiega dokładnie tak samo, jak w przypadku ogniw litowo-jonowych i litowo-polimerowych, ale z niższym napięciem, bo tylko 3,65V. Ale w przeciwieństwie do innych typów ogniw litowych ogniwa LiFePO4 mogą być ładowane wyższym napięciem, nawet 4,2V. Skraca to czas trwania fazy ładowania stałym napięciem, i ma znikomy negatywny wpływ na ogniwo.
Zależnie od modelu ogniwa i jego producenta prąd ładowania może wynosić od 1C do 10C, a bezpieczny prąd rozładowania od 1C do nawet 50C (!). Przykładowo ogniwo ANR26650M1-B od A123Systems oferuje nominalną pojemność 2500mAh i ciągły prąd rozładowania o wartości 50A czyli 20C. Prąd w impulsie może wynieść do 120A przez trzy sekundy, czyli 48C! Nominalny prąd ładowania to 2,5A, czyli 1C, ale można to ogniwo ładować szybko prądem 10A, czyli 4C. I to wszystko w standardowej obudowie cylindrycznej w rozmiarze 26650. Standardowe ogniwo Li-Ion o tej samej pojemności i w tej samej obudowie przy takim traktowaniu by eksplodowało.
Łączenie ogniw LiFePO4
Obowiązują dokładnie te same zasady, co w przypadku pozostałych typów ogniw. Ze względu na niższe napięcie pełnego ogniwa przy łączeniu szeregowym należy stosować balansery i układy BMS dedykowane dla ogniw LiFePO4. Na rynku dostępnych jest sporo gotowych akumulatorów przedstawianych jako zamienniki akumulatorów kwasowo-ołowiowych w systemach przechowywania energii ze źródeł odnawialnych lub dla lżejszych pojazdów elektrycznych.
Mam nadzieję, iż to skromne kompendium rozwieje wiele wątpliwości i zachęci czytelników do sięgania po ogniwa litowe w swoich projektach. Szczególnie ogniwa LiFePO4 stanowią świetną alternatywę dla zwykłych baterii i ogniw innych typów. Jak zwykle, zachęcam do dyskusji i zadawania pytań. Pochwalcie się też swoimi projektami.
Cool? Ranking DIY
