Wybór chemii baterii dla Twojego projektu

Jeśli rozwijasz produkt, który potrzebuje przenośnego źródła zasilania, możesz natychmiast pomyśleć o popularnej baterii litowo-polimerowej lub prostej baterii AA. Jednak czy to naprawdę optymalny wybór dla Twojego urządzenia? Spójrzmy na szeroką gamę dostępnych opcji, jak również inne czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze baterii.

Kluczowe punkty do rozważenia

Jednym z często pomijanych aspektów wyboru baterii przez inżynierów jest sposób dostarczenia produktu do użytkownika końcowego. Z przepisami dotyczącymi wysyłki baterii litowych, dostarczenie produktu z bateriami litowo-polimerowymi do użytkownika końcowego pocztą może być trudne. Ale wysyłka baterii to nie tylko przepisy, na przykład bateria kwasowo-ołowiowa jest bardzo ciężka i może generować znaczne koszty dostawy ze względu na wagę. Te wady mogą przeważyć nad jakąkolwiek korzyścią, jaką uzyskasz z któregokolwiek z tych typów baterii.

Kolejnym często pomijanym czynnikiem jest środowisko, w którym urządzenie będzie używane. Jeśli produkt ma być używany na zewnątrz lub w środowisku przemysłowym, może być narażony na temperatury znacznie niższe lub wyższe, niż niektóre chemie mogą wytrzymać. Kiedy testujesz produkt w laboratorium o temperaturze pokojowej, wszystko wygląda dobrze, a potem produkt trafia do Kanady, gdzie jest narażony na -40°C, lub do Australii, gdzie doświadcza +45°C w otoczeniu i nagle baterie nie działają zgodnie z oczekiwaniami. Baterie opierają się na reakcjach chemicznych, które zwalniają przy -40°C, jeśli elektrolit nie zamarznie całkowicie i nie zatrzyma działania baterii. W przykładzie australijskim, czarna skrzynka na słońcu może łatwo osiągnąć ponad 70°C. Tak wysokie temperatury mogą spowodować, że niektóre chemie zawiodą w ognisty sposób.

Jeśli Twój produkt ma być przenośny, objętość i waga baterii mogą odgrywać znaczącą rolę w wyborze. Aparaty słuchowe są świetnym przykładem, ponieważ nie spodziewałbyś się zobaczyć baterii kwasowo-ołowiowej w aparacie słuchowym, przynajmniej nie w takim przeznaczonym do użytku ludzkiego.

Napięcie baterii może również odgrywać znaczącą rolę w Twoim wyborze. Jeśli wymagasz wielu ogniw, aby osiągnąć napięcie praktyczne dla Twojego projektu, pakiet może stać się zbyt nieporęczny lub niepraktyczny. Blisko związane z napięciem jest oczywiście prąd. Niektóre baterie są zdolne do bardzo wysokich prądów, a inne mogą mieć trudności z wyprodukowaniem ich w ogóle. Jeśli masz wysokie wymagania prądowe dla silników, jasnych diod LED lub mocy obliczeniowej, możesz natychmiast wykluczyć wiele chemii.

Jako przykład tych rozważań, pewnego czasu miałem awarię eksperymentalnego autopilota, który spowodował rozbicie małego, bezzałogowego samolotu do fotografii upraw. Awaria miała miejsce w środku pola, które nie widziało deszczu od 6 miesięcy, w 42°C (107,6°F) na wietrzny dzień. Duża bateria litowo-jonowa polimerowa o 4 ogniwach została zmiażdżona, a jedno z ogniw zaczęło zawodzić. To spowodowało reakcję łańcuchową w pozostałych ogniwach, aż do momentu, gdy wydobywające się gazy zapaliły się i podpaliły otaczającą trawę. Mieliśmy szczęście, że mieliśmy pod ręką wóz strażacki na taką ewentualność, inaczej mogłoby to być poważne nieszczęście. Od tego czasu lataliśmy tylko na ogniwach LiFePO4, ponieważ nie wykazują one tego trybu awarii łańcuchowej i są znacznie bardziej stabilne. Potrzebowałem gęstości energii litowego ogniwa wtórnego, ale nie zdolności do spowodowania strat w wysokości milionów z tytułu odpowiedzialności za szkody pożarowe.

 

Pożar może nie wyglądać na wiele, ale gdyby to się stało na dalekim końcu obszaru lotu, przy drzewach w oddali, mogłoby to być ogromne nieszczęście zanim zdążylibyśmy dojechać. Rozbiłem dziesiątki samolotów testując nowy sprzęt/oprogramowanie, to był pierwszy raz, kiedy jeden z nich zapalił się. To pokazuje, że pomimo wielu testów, skrajne przypadki zachowania baterii mogą cię ugryźć, jeśli sytuacja jest właściwa.

Ogniwa pierwotne a wtórne

Poszukując baterii, musisz rozważyć, czy akumulator jest właściwym wyborem. Posiadanie układu ładowania w urządzeniu może być bardzo wygodne, ale może również wiązać się z istotnymi wymaganiami regulacyjnymi i zatwierdzeniami bezpieczeństwa. Baterie litowe są wrażliwe na sposób ładowania i mogą spowodować katastrofę ogniową, jeśli nie są odpowiednio traktowane. Inne chemie akceptują przeładowanie bez przekształcania się w silnik rakietowy.

Jeśli masz urządzenie, które będzie przechowywane przez długi czas i wymaga niesamowitej niezawodności, gdy jest używane, wtedy akumulator prawdopodobnie nie będzie rozwiązaniem, którego szukasz. Przykłady, które mogłeś napotkać, to m.in. osobiste lokalizatory sygnałowe i zewnętrzne defibrylatory automatyczne.

Więc co to jest ogniwo pierwotne lub wtórne? Po prostu, ogniwo pierwotne jest jednorazowego użytku. Chemikalia w baterii wytwarzają ładunek, ale tej reakcji nie można odwrócić przez ładowanie ogniwa. Ogniwo wtórne pozwala na ponowne użycie poprzez ładowanie.

Ogniwa pierwotne zwykle mają stosunkowo wysoką gęstość energii i żywotność magazynową w porównaniu do ich odpowiedników wtórnych. Ogniwa wtórne mogą być bardziej wygodne, ponieważ nie trzeba ich wymieniać po rozładowaniu, jednak nie mogą być przechowywane w naładowanym stanie przez długi okres czasu i mogą nie mieć porównywalnej pojemności dla tego samego rozmiaru ogniwa co ogniwo pierwotne.

Szybkie porównanie

Oto szybkie porównanie tego, co uważam za ważne czynniki dla każdej chemii.

Ogniwa pierwotne

Dla prądu rozładowania, C oznacza pojemność. Więc rozładowanie 0,1C baterii 2500mAh będzie wynosiło 250mAh.

Ogniwa wtórne

Niklowo-kadmowe są zakazane do nowych zastosowań w Europie.

Alkaliczne

Około 80% produkowanych baterii to ogniwa alkaliczne, więc prawdopodobnie są to baterie, z którymi miałeś najwięcej do czynienia. Są to ogniwa pierwotne, co oznacza, że są nieładowalne. Znajdziesz je w wielu powszechnych formach, takich jak rozmiary literowe (AAA, AA, C, D), baterie guzikowe lub pakiety ogniw (bateria 9v). Te powszechne formy nie są wyłączne dla baterii alkalicznych, ale są najbardziej ustandaryzowaną formą, w jakiej znajdziesz baterię alkaliczną.

Nominalne napięcie baterii alkalicznej wynosi 1,5v. Jednak nowa bateria może wahać się od 1,5v do 1,65v w zależności od jej jakości. Całkowicie rozładowane ogniwo będzie miało napięcie spoczynkowe około 0,8v do 1,0v.

Ten zakres napięć jest dość wygodny dla większości urządzeń elektronicznych, ponieważ trzy ogniwa z bardzo niskim regulatorem spadku napięcia mogą zasilać urządzenie 3,3v. Pod koniec pojemności ogniwa napięcie spadnie jeszcze niżej, ale większość układów scalonych poradzi sobie z niższym napięciem bez problemu. Jednakże, ze względu na fakt, że te same rozmiary ogniw są używane z ogniwami wtórnymi, które mają nominalne napięcie 1,2v, pakiet z czterech ogniw jest zazwyczaj minimalną ilością, którą chciałbyś użyć do zasilania urządzenia 3,3v.

Prąd rozładowania z ogniwa alkalicznego jest stosunkowo niski, a użyteczna pojemność jest bezpośrednio związana z poborem prądu. Przy poborze prądu 25mA z ogniwa rozmiaru AA, można oczekiwać około 2700mAh. Jednak przy obciążeniu 500mA, zobaczysz tylko około połowy tej pojemności użytecznej.

Baterie alkaliczne nie mają żadnych ograniczeń dotyczących transportu lotniczego i są dostępne w praktycznie każdym sklepie spożywczym, sklepie z wygodami i sklepie z narzędziami na świecie, co ułatwia wymianę wyczerpanych baterii. Koszt baterii alkalicznych znanych marek może być dość wysoki, ale marki niskokosztowe i marki własne sklepów mogą być wyjątkowo tanie przy bardzo małej stracie pojemności, a nawet mogą mieć większą pojemność niż opcja marki znanej.

Jedną z kluczowych wad baterii alkalicznych jest to, że są one podatne na wycieki. Niektóre baterie znanych marek są reklamowane jako 100% odporne na wycieki z gwarancją, i w zależności od twojej aplikacji, może być warte zapłacenia premii za markę. Wycieki są spowodowane, gdy bateria się rozładowuje i generuje gaz wodorowy. Ten gaz może spowodować uszkodzenie izolacji między obudową a kapslem, lub otwarcie innych urządzeń bezpieczeństwa, takich jak wentyle. Gdy uszczelnienie zawiedzie, kwas wycieknie w postaci krystalicznego wzrostu, który skoroduje większość metali, z którymi wejdzie w kontakt.

Baterie alkaliczne są łatwo poddawane recyklingowi, z wieloma sklepami spożywczymi i sklepami z artykułami biurowymi na całym świecie (szczególnie w Europie) oferującymi pojemniki do ich recyklingu.

Porównaj baterie alkaliczne na Octopart.

Litowe (ogniwa pierwotne)

Istnieją dwie główne chemie ogniw litowych dla konsumentów: dwutlenek manganu litu (Li-MnO2) oraz disiarczek żelaza litu (Li-FeS2). Ogniwa dwutlenku manganu litu mają nominalne napięcie 3-3,3V i zwykle występują w opakowaniach typu guzikowego. Disiarczek żelaza litu najczęściej znajduje się w ogniwach o wysokiej wydajności/dużej pojemności zastępujących baterie alkaliczne w rozmiarach AAA/AA.

Jeśli pracujesz w dziedzinie lotnictwa lub wojskowości, monofluorek węgla litu jest dobrym wyborem ze względu na niski samorozład przy podwyższonych temperaturach, i jest kwalifikowany do zastosowań w przestrzeni kosmicznej. Wysoka gęstość energii czyni go idealnym do takich zastosowań, jednak jego koszt jest zbyt wysoki dla produktów konsumenckich.

Ogniwa litowe wszystkich chemii są ograniczone pod względem transportu lotniczego. Niektóre linie lotnicze, kurierzy i usługi pocztowe w ogóle nie będą ich przewozić, lub mogą ograniczyć transport do baterii zainstalowanych w sprzęcie konsumenckim. Niestety, nie wynika to z nadmiernej ostrożności; kilka samolotów towarowych zostało utraconych z powodu pożarów ogniw litowych pierwotnych i wtórnych, gdy ogniwa były źle zapakowane lub wadliwe. Miało miejsce wiele incydentów z pożarami związanymi z bateriami litowymi, które można znaleźć, przeszukując archiwa NTSB i CTSB.

Dwutlenek manganu litu

Ta chemia ogniwa litowego jest najbardziej powszechna na rynku. Prawdopodobnie znajdziesz je zasilające zegarki lub baterie zegarów czasu rzeczywistego ze względu na ich niski samorozład i wysoką gęstość energii. Przy podwyższonych temperaturach, szybkość samorozładu gwałtownie wzrasta, co sprawia, że są najbardziej odpowiednie do zastosowań w temperaturze pokojowej.

Nominalne napięcie ogniwa wynosi 3,0V, ale nowe ogniwo oferuje napięcie obwodu otwartego około 3,3V. Po całkowitym rozładowaniu, ogniwo będzie miało napięcie obwodu otwartego około 2,0V. W ogniwie o pojemności 2500mAh, prądy rozładowania między 5mA a 100mA mają znikomy wpływ na użyteczną pojemność. Jednakże, przy obciążeniu 200mA, ogniwo będzie miało tylko 1700mAh użytecznego ładunku, a przy obciążeniu 300mA, spada to do około 1300mAh. Ogniwa dwutlenku manganu litu dobrze radzą sobie z krótkimi impulsami wysokiego prądu, ale nie z ciągłym obciążeniem. Ich użyteczny prąd również znacznie różni się w zależności od temperatury. Na przykład, przy 60°C, obciążenie 40mA na wcześniej wspomnianym ogniwie 2500mAh pozwoli na zużycie pełnych 2500mAh, ale przy 0°C, ta wartość spada do około 2200mAh. Dalej gwałtownie spada między -10°C a -20°C, z 1800mAh do nieco ponad 1000mAh.

Najbardziej powszechne rozmiary baterii guzikowych są łatwo dostępne na całym świecie w sklepach z artykułami pierwszej potrzeby i sklepach spożywczych. Niestety, mogą one również znajdować się obok zamienników alkalicznych w tym samym opakowaniu, które są tańsze. Użytkownik końcowy może nieświadomie użyć baterii alkalicznej jako zamiennika, co może spowodować, że twoje urządzenie nie będzie działać zgodnie ze specyfikacją, jeśli wymagasz wysokich impulsów rozładowania lub znacznie większej pojemności ogniwa litowego.

Porównaj baterie dwutlenku manganu litu na Octopart.

Disiarczek żelaza litu

Jeśli potrzebujesz baterii do bardzo niskich temperatur, niewiele może konkurować z baterią litowo-żelazowo-disiarczanową. Są one powszechnie dostępne jako komórki Energizer Lithium/Lithium Advanced AAA lub AA. Cena za watogodzinę jest bardzo wysoka dla tych ogniw, w porównaniu do baterii alkalicznych. Jednakże, jeśli aplikacja wymaga długiej żywotności, lub będzie trudno wymienić rozładowane baterie, mogą one być jedyną wykonalną opcją. Używałem ich w aplikacji, która wymagała działania przy -50°C, i były jedynymi bateriami, które działały.

Te ogniwa mają nominalne napięcie 1,5v z pełnym naładowanym napięciem obwodu otwartego około 1,7v. Gdy są całkowicie rozładowane, ogniwo spadnie do około 0,8v w obwodzie otwartym. Oprócz zdolności do pracy w niskich temperaturach, te baterie doskonale radzą sobie z relatywnie wysokimi ciągłymi prądami rozładowania. Komórka Energizer Ultimate Lithium w formacie AA ma prawie podwójną pojemność w porównaniu do komórki alkalicznej, i co najważniejsze, ta pojemność prawie nie spada pod obciążeniem 1 ampera. Pod obciążeniem 1 ampera, ogniwo zachowa prawie całą swoją pojemność 3500mAh, gdzie bateria alkaliczna miałaby poniżej 1/3 swojej nominalnej pojemności przy niskim prądzie do wykorzystania.

Znajdziesz te ogniwa w większości większych sklepów na całym świecie. Mniejsze sklepy osiedlowe nie zawsze je mają ze względu na ich stosunkowo wysoki koszt.

Porównaj baterie litowo-żelazowo-disiarczanowe na Octopart.

Tlenek cynku

Czasami nazywane baterią cynkowo-powietrzną, znajdziesz te baterie w ograniczonej gamie rozmiarów. Głównie, te baterie są używane w aparatach słuchowych i mają ogromną pojemność, ale po aktywacji mają bardzo krótki czas życia. Baterie cynkowo-powietrzne mają naklejkę na jednej stronie ogniwa, aby zapobiec dostawaniu się powietrza. Tlen w powietrzu tworzy katodę, więc po usunięciu naklejki bateria może funkcjonować. Anoda baterii jest nasączona elektrolitem, który będzie przyciągać wilgoć atmosferyczną i spadać w skuteczności, a także reagować z dwutlenkiem węgla, co obniża jej przewodność. Te właściwości dają ogniwom żywotność około 7 do 12 dni po ekspozycji, niezależnie od użytkowania. Jeśli masz aplikację, która pozwala na częste wymiany baterii przy bardzo małym formacie, ta bateria może być dla ciebie.

Baterie tlenku cynku mają nominalne napięcie 1,4v, i będą miały napięcie obwodu otwartego około 1,05v, gdy są całkowicie rozładowane. Chociaż chemia ma najwyższą gęstość energii na rynku, szybkość rozładowania jest dość ograniczona. Energizer uważa impuls 24mA co 2 godziny, z ciągłym rozładowaniem 8mA na ogniwo, za wysokie rozładowanie, a 5mA za standardowe na ogniwo 600mAh. Pojemność rozładowania jest również bardzo zależna od temperatury, z reakcją chemiczną nie będącą praktyczną poniżej około -10⁰C.

Baterie do aparatów słuchowych można kupić w większości sklepów sprzedających jakiekolwiek baterie oraz w aptekach na całym świecie. Gotowa dostępność tych baterii może je czynić bardzo atrakcyjnymi pomimo krótkiego czasu życia.

Tlenek srebra

Baterie tlenkowo-srebrowe znajdziesz tylko w formie baterii guzikowych i są one stosunkowo drogie. Alkaliczne baterie o tych samych wymiarach i napięciu są łatwo dostępne, jednak mają znacznie mniejszą pojemność. Jeśli potrzebujesz kompaktowego rozwiązania o niskim prądzie, które zapewni lata żywotności i wysoką pojemność, warto rozważyć baterię tlenkowo-srebrową.

Nominalne napięcie jest nieco wyższe niż w przypadku baterii alkalicznej i wynosi 1,55 V, a bateria może być rozładowana do 1,2 V. Pojemność spada liniowo od temperatury pokojowej do -20⁰C, gdzie bateria ma około 50% swojej użytecznej pojemności w temperaturze pokojowej. Bateria tlenkowo-srebrowa ma niezwykle niską wydajność rozładowania, a większość kart katalogowych dostarcza krzywe rozładowania tylko dla 0,2 mA, bez demonstracji zdolności do obciążenia impulsowego.

Baterie tlenkowo-srebrowe są trudniejsze do znalezienia niż baterie alkaliczne tego samego rozmiaru. Szukając w lokalnych sklepach w Wielkiej Brytanii, byłem w stanie znaleźć tylko baterie alkaliczne i litowe guzikowe. Są łatwo dostępne online, ale prawdopodobnie nie są to baterie, które będziesz mógł łatwo kupić podczas robienia zakupów spożywczych.

Porównaj baterie tlenkowo-srebrowe na Octopart.

Ołowiowo-kwasowe

Baterie ołowiowo-kwasowe są bardzo tanie za watogodzinę, ale są dość duże i bardzo ciężkie. Zazwyczaj znajdziesz je w samochodach i systemach alarmowych. Jeśli potrzebujesz zasilić system w stałej, zdalnej lokalizacji, potencjalnie z ładowaniem słonecznym w ciągu dnia, bateria ołowiowo-kwasowa może być tym, czego szukasz. Baterie te nie są szczególnie wymagające pod względem ładowania, są dość bezpieczne, a bateria o pojemności 100 amperogodzin będzie niezawodnie zasilać większość systemów przez długi czas przy minimalnych kosztach.

Bateria ołowiowo-kwasowa ma nominalne napięcie 2,1 V na ogniwo, ale rzadko oferowane są w konfiguracji jednokomórkowej. Zazwyczaj dostępne są w konfiguracjach 3, 6 lub 12 ogniw, przy czym baterie alarmowe mają 3 lub 6 ogniw, baterie samochodowe i rekreacyjne mają 6 ogniw, a baterie ciężarówek mają 12. Szybkość rozładowania przez krótkie okresy czasu jest imponująca; typowa bateria do lekkich ciężarówek rozładuje się ponad 7C, gdy jest zimno.

Utylizacja baterii może być trudna ze względu na konstrukcję z ołowiu i kwasu siarkowego, i może być bardzo niebezpieczna, jeśli zostanie uszkodzona. Zazwyczaj, kupując nową baterię, będziesz mógł oddać starą do recyklingu.

Porównaj baterie ołowiowo-kwasowe na Octopart.

Nikiel-kadm

Baterie niklowo-kadmowe to starsza technologia, która została prawie całkowicie zastąpiona przez NiMH (omówione dalej), a ich chemia jest zakazana we wszystkich nowych zastosowaniach w Europie. Ogniwa są bardzo tanie i mogą obsługiwać bardzo wysokie prądy rozładowania, co jest atrakcyjne, jednak zagrożenie dla środowiska neguje niewielkie korzyści kosztowe tej chemii.

Ze względu na ograniczenia użytkowania w Europie, tę chemię można uznać za przestarzałą i nie nadającą się do stosowania w żadnym nowym projekcie.

Niklowo-metalowo-wodorkowe

W przeciwieństwie do niklowo-kadmowych, ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe są dostępne wszędzie na świecie w dużym nadmiarze. Jeśli pracujesz nad urządzeniem konsumenckim, baterie NiMH są bardzo mocnym kandydatem na ogniwko wtórne. Nie mają one takiej samej gęstości energii jak ogniwka wtórne na bazie litu, ale również nie mają ograniczeń w transporcie, nie zapalą się, jeśli nie naładujesz ich prawidłowo, i są niezwykle tanie. Ogniwa niklowo-metalowo-wodorkowe nie nadają się do aplikacji z wysokim rozładowaniem i mają wysokie charakterystyki samorozładowania. Istnieją nowsze chemie z niskim samorozładowaniem, jednak gęstość energii w tych ogniwach jest jeszcze niższa.

Nominalne napięcie baterii NiMH jest niższe niż w baterii alkalicznej o tym samym rozmiarze, wynosi 1,2v zamiast 1,5v, jakie ma alkaliczna. Może to powodować problemy w obwodzie zaprojektowanym dla wyższego napięcia alkalicznego. Gdy jest całkowicie rozładowana, ogniwo będzie miało napięcie otwartego obwodu około 0,9v. Chociaż chemia nie nadaje się do ciągłego wysokiego prądu rozładowania, jest w stanie obsłużyć rozładowanie 2C.

Samorozładowanie może być dużym problemem w ogniwach NiMH. Nowe chemie reklamowane jako niskie samorozładowanie (LSD) mogą tracić tak mało jak 1% pojemności na miesiąc, co jest podobne do ogniwa pierwotnego. Wiąże się to jednak z karą około 8-10% mniejszej pojemności w ogniwie. Z drugiej strony, chemie nie o niskim samorozładowaniu mogą tracić 20% swojego ładunku pierwszego dnia po naładowaniu, i do 4% dziennie później. Dla aplikacji, które mają mały pobór prądu, utrata pojemności z ogniwa o niskim samorozładowaniu może być z nawiązką rekompensowana przez przedłużoną żywotność.

Ogniwa NiMH są szeroko dostępne, jednak warto sprawdzić ich opakowanie pod kątem pojemności. W większych rozmiarach ogniw, takich jak C i D, znane marki były znane z montowania mniejszego ogniwa w plastikowej obudowie, co daje ogniwu tylko małą część oczekiwanej pojemności, przy wyższej cenie niż mniej znana marka. Oznacza to, że łatwo można znaleźć ogniwa AA, C i D, wszystkie o tej samej pojemności i podobnej wadze od marki takiej jak Energizer.

Porównaj baterie niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) na Octopart.

Niklowo-cynkowe

Jeśli niższe niż alkaliczne napięcie ogniw niklowo-metalowo-wodorkowych sprawia, że są one niepraktyczne dla Twojej aplikacji, niklowo-cynkowe mogą być tym, czego szukasz, ze względu na ich wyższe napięcie. Wynalezienie niklowo-cynkowych sięga 1901 roku, ale dopiero niedawno opcje komercyjne stały się wykonalne po rozwiązaniu problemu bardzo ograniczonej żywotności baterii. Teraz, ogniwa NiZn mogą osiągnąć liczbę cykli podobną do ogniw NiMH. Niestety, ogniwa te mają dość znaczne samorozładowanie, które, jak donosi się, znacznie wzrasta po około 30 cyklach.

Chemia NiZn zapewnia nominalne 1,65 V, które jednak mogą wzrosnąć do 1,85 V po naładowaniu. Projekt zakładający użycie ogniw NiMH lub alkalicznych może odkryć, że napięcie przekracza dopuszczalne wartości niektórych komponentów, w zależności od liczby ogniw połączonych szeregowo. W pełni rozładowane ogniwo będzie miało 1,1 lub 1,2 V. Ogniwa zazwyczaj mają w karcie katalogowej producenta wykresy z rozładowaniem 3C lub większym, pokazując tylko nieznaczny spadek pojemności rozładowania, co czyni je bardzo atrakcyjnymi dla urządzeń o wysokim prądzie lub urządzeń z wysokimi impulsami prądowymi.

Samorozładowanie tych ogniw jest w mojej opinii największą wadą. Jest dość znaczące, ponad 10% na miesiąc! Jeśli twoja aplikacja wymaga, aby baterie trwały miesiącami, może to wykluczyć ogniwo NiZn. Jeśli potrzebujesz wysokiego amperażu lub wyższego napięcia niż NiMH i możesz ładować baterie częściej, to może nie być problemem.

Obecnie ogniwa NiZn są najłatwiej dostępne w formatach AAA i AA, i znalazłem je tylko online. Sklepy elektroniczne i fotograficzne w Wielkiej Brytanii, które odwiedziłem, nie miały ich w ofercie.

Litowe (ogniwa wtórne)

Tak jak ich pierwotne odpowiedniki, ogniwa wtórne litowe są mocno ograniczone podczas podróży ze względu na ich skłonność do zamieniania się w rakiety ognistej zagłady. Prawdopodobnie słyszałeś historie z mediów o telefonach, laptopach lub tabletach zamieniających się w kule ognia! Cóż, to zasługa baterii litowej. Transport lotniczy w wielu krajach jest niemożliwy, a nawet transport drogowy może być ograniczony. Może to bardzo utrudnić sprzedaż produktu z wbudowaną akumulatorową baterią litową. Mam dużo doświadczenia z ogniwami wtórnymi litowymi i uważam, że wiele z niebezpieczeństw pożaru jest przesadzonych, ale miałem pożary i z pewnością jest to coś, co należy mieć na uwadze.

Ogniwa litowe mają bardzo atrakcyjną gęstość energii i ogromne szybkości rozładowania w niektórych chemiach. Jednak ta zmienność oznacza, że są bardzo wrażliwe na nadmierne rozładowanie, przeładowanie, przegrzanie i zbyt wysoki pobór prądu. Jeśli używasz ogniwa wtórnego litowego, powinieneś upewnić się, że twoje układy ładowania i ochrony baterii są odpowiednie. Bardzo często można znaleźć czujniki temperatury dołączone do ogniw litowych w projektach, aby umożliwić urządzeniu wyłączenie się, jeśli bateria staje się zbyt gorąca od rozładowywania lub ładowania.

Istnieje wiele chemii dostępnych dla baterii litowych, i możesz nie wiedzieć, co tak naprawdę kupujesz. Najczęściej spotykaną jest tlenek litu i kobaltu (LiCoO2), który jest zwykle oznaczony jako ‘ICR’. Zyskującą popularność jest tlenek litu i manganu (LiMn2O4), który jest zwykle oznaczony jako ‘IMR’. Mangan jest znacznie tańszy niż kobalt i skutkuje wyższym napięciem ogniwa (3,9 V nominalne w porównaniu do 3,7 V nominalne). Jednak ogniwa manganowe mają niższą gęstość energii. Ogniwa o wysokim rozładowaniu mogą być tlenkiem litu, niklu, manganu i kobaltu (LiNixMnyCo1-x-yO2), które są oznaczone jako ‘INR’. Ogniwa INR mają również bardzo dobrą gęstość energii i są tymi, które możesz znaleźć w pojazdach elektrycznych. Wszystkie te technologie to technologie jonów litowych, które są również dostępne w konstrukcji polimeru jonu litowego. Fosforan żelazowo-litowy (LiFePO4) jest omawiany oddzielnie.

Litowe jonowe vs polimerowe jonowe

Główna różnica między nimi dotyczy metody konstrukcji. Ogniwa litowo-polimerowe wykorzystują cienką mikroporowatą membranę polimerową z żelem elektrolitowym, co skutkuje wyższą gęstością energii i większym potencjałem szybkości rozładowania. To właśnie ta cienka membrana polimerowa sprawia, że ogniwa polimerowe są bardziej niestabilne, ponieważ łatwiej o zwarcie ogniwa lub problemy spowodowane przegrzaniem. To, w połączeniu z wyższą gęstością energii, prowadzi do bardziej energetycznego awarii.

Znajdziesz obie konstrukcje dostępne w ogniwach cylindrycznych, jak i pryzmatycznych (saszetkowych). Koszty są zazwyczaj niższe dla jonów litowych, ponieważ konstrukcja jest mniej skomplikowana.

Nominalne chemie 3.7v mają wszystkie szczytowe napięcia ładowania 4.2v i nigdy nie powinny być rozładowywane do 3.0v. Bateria rozładowana poniżej 2.8v na ogniwo zostanie uszkodzona i jej żywotność zostanie skrócona, z większym ryzykiem stania się niestabilną podczas ładowania lub intensywnego rozładowania.

Fosforan Żelazowo-Litowy

LiFePO4 to spokojniejszy, nieco mniejszej gęstości, niższego napięcia kuzyn innych ogniw litowo-jonowych.

Fosforan żelazowo-litowy daje nominalne napięcie 3.2v i nie powinien być rozładowywany do wartości niższej niż 2.2v. Rozładowanie do 2.0v grozi uszkodzeniem ogniwa. W porównaniu do jonów litowych, a zwłaszcza polimerów litowo-jonowych, mają około 20% niższy szczytowy prąd rozładowania i pojemność przy tej samej wadze/objętości. Jeśli twoja aplikacja wymaga wysokiego rozładowania, ale także poprawy bezpieczeństwa w porównaniu z innymi opcjami litowymi, to ogniwo może być dla ciebie.

Jako uwaga do mojej historii o pożarze, w tamtym czasie rozbijałem samolot lub dwa na tydzień, rozwiązując problemy. Ogólnie, ogniwa mogły wyglądać jak banan i być w porządku, ale wystarczy jedno zdarzenie, kiedy ogniwo zwiera wewnętrznie i powoduje pożar, aby spowodować dużo szkód. Małe ogniwa litowo-polimerowe o pojemności są raczej trudne do zapalenia. Bardzo starałem się fizycznie uszkodzić pakiety o ocenie 100-200mAh do punktu pożaru bez sukcesu. Przeładowanie nawet małej baterii jest jednak całkiem prawdopodobne, że skończy się źle.

Porównaj baterie litowo-jonowe na Octopart.

Mamy nadzieję, że ten artykuł okazał się przydatny! Jeśli chcesz otrzymywać treści takie jak ta prosto do swojej skrzynki odbiorczej, zapisz się na nasz miesięczny newsletter!