Akkumulátorok

Lítium-ion (és LiPo) akkumulátorok

Lítium-ion (és LiPo) akkumulátorok

A lítium akkumulátor célú alkalmazását, illetve annak a lehetőségét először a 70-es években a müncheni Technikai Egyetemen (TU München) tárták fel. Sok időnek kellett eltelnie, hogy a LiIon tárolók valóban piacra is kerüljenek, erre a 90-es évektől fokozatosan került sor. A lítium bázisú tárolók sok kémiai összetétellel is alkalmazásra kerülnek, így a leggyakoribb lítium-kobalt-dioxid-akkumulátorok (LiCoO2 – LCO) mellett megtalálhatók a lítium-mangán-dioxid (LMO), és a lítium-foszfát-akkumulátorok (LFP), ritkábban pedig a lítium-titanát (LTO) és az ón-kén-lítiumion akkumulátorok is. A fizikai jellemzőik nagyjából megegyeznek ezeknek, azaz a fajlagos energiatárolási kapacitásuk 150 Wh / kg, energiasűrűségük 400 Wh / l körül alakul.

A LiIon akkumulátorok nem igazán képesek megbirkózni a túltöltessél és a túlmerítéssel sem, így alkalmazásuk során szinte minden esetben védő-elektronikát (BMSbattery management system) igényelnek. A túlmelegedés az egyik gyenge pontja a típusnak, ugyanis 180 fok felett olyan kémiai reakciók indulnak be a tárolókban, amik azoknak a felrobbanásához vezethetnek. A tárolókban nem keletkeznek kristályok, így ez az akkumulátor típus nem hajlamos a memória-effektusra. A LiIon bázisú akkumulátorok sok előnye mellett soha nem szabad elfelejteni a hátrányukat, hogy tűzveszélyesek túltöltés és fizikai sérülések esetén!

Az akkumulátorok túlmerítése szintén a telepek tönkremenetéhez vezet, így a gyártók jellemzően egy túlmerítés-védelmet (Low Voltage CutoffLVC) is beépítenek az egységeikbe. Ezek az akkumulátor tápvezetékét szakítják meg akku-üzemben, ha a feszültség a 3,2V-os szintet alulhaladja. Ez persze vagy működik, vagy nem, így érdemes a túlmerítést a felhasználói oldalról is valamilyen hardveres megoldással tiltani.

A harmadik védelmi lehetőség (amit a komolyabb töltők tudnak) a hőmérséklet-felügyelet (Positive Temperature Coefficient Switches: PTC), és az erre épülő töltés közbeni leoldás-védelem.

Ezeket a védelmeket együttesen töltésmegszakító egységeknek, azaz Charge Interrupt Devices (CID) szokás nevezni.

A LiIon akkumulátorokban a katód (pozitív pólus) tartalmazza a lítium vegyületeket, a negatív pólus általában grafitból (vagy valamilyen szénvegyületből) áll. A membránon a lítium-ionok szabadon átjárhatnak, töltéskor az anód, áramleadás idején a katód felé áramlanak az elektrolitban. Az elektrolit lítium-hexafluorofoszfát (LiPF6), vagy kevésbé korrodáló lítium-tetrafluoroborát (LiBF4) oldatából áll.

Lítium-ion akkumulátor felépítése

A LiIon akkumulátorok alapja szinte minden esetben a cella, ennek többszöröseivel lehet a feszültséget számolni. A lítium-kobalt-dioxid (LCO) tárolók esetén egy cella 3,7 V-os lehet (LiPo esetén ez az érték 3,3 V körül alakulhat).

A LiPo, vagyis lítium-polimer akkumulátor egy speciálisan kialakított Li-Ion tároló. Ebben az esetben a Li-Ion folyadék elektrolit konstrukciót egy szilárd, zselatinos (polimer-alapú) fóliával cserélték le, és ez az átalakítás a tároló fizikai jellemzőire is jelentős hatással van. Összetételük miatt a LiPo cellák sokkal sokoldalúbban alakíthatók ki, és robbanásra is kevésbé hajlamosak, viszont energiatárolási kapacitásuk jóval alacsonyabb a LiIon akkumulátoroknál.

jellemzőLiIonLiPo
ÖregedésA kapacitását idővel elvesztiA kapacitását lassabban veszti, mint az Li-Ion
Energiatárolásmagasalacsonyabb, mint a Li-Ion
Tárolási veszteség5-15%15-25%
BiztonságTúltöltés esetén túlmelegedés, robbanás lehetségesbiztonságosabb, mint az Li-Ion
(de a gyulladás / robbanásveszély fennáll)
KöltségekAlacsonykb egyharmadával drágább, mint az Li-Ion
SúlyNehezebbKönnyebb
Töltési időlassabbGyorsabb
Jellemző kivitelezésHengeres kivitelLapos tasakcellák

A legjellemzőbb megjelenési formái a Li-Ion akkumulátoroknak:

Lapos tasakcellák: Ezek lapos kivitelezésű, alumíniumozott polimer fóliába csomagolt cellák, jellemzően (kizárólag) LiPo egységek, melyek formájuk okán könnyen integrálhatók mobiltelefonokba, fényképezőgépekbe, e-book-olvasókba,..

LiPo tasakcella

Hengeres kivitel: A két elektródát és az elektrolit zselét egymásra rétegezik, majd feltekercselik hengerré. Ezek a hengerek egységes (normalizált) méretűek:

hengeres kivitelű li-ion cellák

A számozás ezeknél a tárolóknál két részből áll össze: először a henger átmérője, aztán a hossza (milliméterben) jellemzi a tároló méretét. A leggyakrabban alkalmazott 18650 például 18 mm átmérőjű és 650 mm magas.

A telep kapacitását, azaz, hogy mennyi villamos energiát képes betárolni, Amperórában (Ah), vagy ennek az ezredrészében, milliamper-órában (mAh) szokás megadni. A névleges és a valós kapacitás eltérési aránya nagyon sok paramétertől függ, pl. az akkumulátor életkora, használati ciklusok száma, környezeti hőmérséklet, gyártó lódítási rátája, így azt lehet mondani, hogy a valós kapacitás csak a használat során fog kiderülni.

A kisülési ráta (Discharge rate), vagyis C-ráta arról árulkodik, hogy a betárolt villamos energiát az akkumulátor milyen dinamikával hajlandó visszaadni. Ezt a dinamikát a kapacitás függvényében határozzák meg, az 1:1 dinamikájú akku 1C-s. Megfordítva ez azt jelenti, hogy ha egy akkumulátor kapacitása 1800 mAh, és C-rátája 5, akkor 5*1,8, azaz 9 ampert tud egyidejűleg leadni.

Már említettem, hogy a LiIon és LiPo cellák jellemző névleges feszültsége 3,7 volt, ami persze típusonként változhat. Ezeknél az akkumulátoroknál a feszültségszint jellemzően 4,2V (teljes töltés) és 3,2V (minimum) között változhat. A túltöltés tönkremenetelhez, vagy adott esetben kigyulladáshoz és robbanáshoz is vezethet, míg a túlmerítés csak simán tönkreteszi az akkut. A névleges feszültség a sorba kapcsolt cellák számával változik (a 3,7V valahányszorosa lesz). A névleges feszültséget (meg még pár paramétert) jelentősen befolyásolhat a LiIon akkumulátor típusa (anyaga).

TípusNévleges
feszültség
üzemi
feszültség
KapacitásTöltés
(c-ráta)
Lemerítés
(c-ráta)
életciklusMax.
hőmérséklet
LCO
Lítuim-kobaltdioxid
LiCoO2
3,6 V
3,0..4,2 V
150-200 Wh/kg0,7..1 C
1C
500-1000150 °C
LMO
Lítuim-magnéziumoxid
LiMn2O4
3,7..3,8 V
3,0..4,2 V
100-150 Wh/kg0,7..1 C
max. 3 C
1C
max. 10C
300-700250 °C
NMC
lítium-nikkel-mangán-kobalt-dioxid
LiNiMnCoO2
3,6..3,7 V
3,0..4,2 V
150-200 Wh/kg0,7..1 C
1C max. 2C
1000-2000210 °C
LFP
lítium-vasfoszfát- oxid
LiFePO4
3,2..3,3 V
2,5..3,65 V
90-120 Wh/kg1 C
1C max. 25C
1000-2000270 °C

A Li-Ion cellákat egymással sorba és párhuzamosan is lehet kapcsolni. A soros kapcsolás esetén az „S”-vel, párhuzamos esetén a „P”-vel szokás ezeket a konfigurációkat jelölni. A 4S például 4, egymás után kapcsolt cellát jelöl, ahol ezeknek a feszültségei összeadódnak, így (tipikus esetben) 4*3,7V=14,8V-ot kapunk eredményül, azaz ekkora feszültséget fog leadni az egység.

Soros konfigurációkMin. feszültségNévleges feszültségMax. feszültség
1S3,2 V3,7 V4,2 V
2S6,4 V7,4 V8,4 V
3S9,6 V11,1 V12,6 V
4S12,8 V14,8 V16,8 V
5S16 V18,5 V21 V
6S19,2 V22,2 V25,2 V
7S22,4 V25,9 V29,4 V
8S25,6 V29,6 V33,6 V

A fenti értékek csak irányadóak, típusonként változhatnak

A sorba kapcsolt cellák esetén ügyelni kell arra, hogy a töltöttségi szintet cellánként lehessen felügyelni. Ezt a gyakorlatban úgy szokás megoldani, hogy a két szélső sorba kapcsolt cellára csatlakoztatják az ennek megfelelően méretezett tápvezetéket, míg egy külön csatlakozón a cellánkénti elérést is lehetővé teszik a gyártók, valahogy így:

cellánkénti elérés

Ez a gyakorlatban így néz ki:

cellánkénti elérés gyakorlatilag

A párhuzamosan csatolt cellák esetén a feszültség nem változik, viszont az áramértékek összeadódnak.

3S3S:
Névleges feszültség: 11,1 V
Névleges kapacitás: 2800 mAh
2P2P:
Névleges feszültség: 3,7 V
Névleges kapacitás: 5600 mAh
2S2P2S2P:
Névleges feszültség: 7,4 V
Névleges kapacitás: 5600 mAh
csatlakozó: JST-XHJST-XHA leggyakoribb csatlakozótípus.
Használatakor ügyelni kell arra, hogy kihúzásakor soha ne
a vezetéket fogja meg, hanem a csatlakozót, mivel a vezetékeket
nagyon könnyű kitépni a foglalatukból.
A cellánkénti „balance” csatlakozó is jellemzően ebből a típusból kerül ki.
csatlakozó: Thunder PowerThunder PowerA Thunder Power és Flite Power akkumulátoroknál alkalmazott csatlakozó.
csatlakozó: XT-60XT-60A HobbyKing által fejlesztett / szabadalmazott csatlakozón már nincs védelem,
sok gyártó él is a használatával. Viszonylag gyakori típus, könnyen forrasztható.
csatlakozó: VenomVenomA Venom akkumulátorokhoz fejlesztett csatlakozó nem túl népszerű a felhasználók körében,
gyakran csak egy megjegyzés olvasható mellette: „forraszd át valami használhatóbbra!”
csatlakozó: AndersonAndersonEredetileg az amatőr rádiózásnál használták a típust 12V DC csatlakozókhoz, de az akkumulátoroknál is fel szokott bukkanni.
csatlakozó: EC3EC3A Horizon Hobby vezette be a típust a piacra, amikor a Tamiya helyett keresett más megoldást.
csatlakozó: Tamiya (Molex)Tamiya (Molex)Nagy ellenállása miatt közutálatnak örvendő csatlakozót a Tamiya vezette be a piacra. Szinte minden esetben a megjegyzés mellette: „Forraszd át!”
csatlakozó: TraxxasTraxxasKözkedvelt nagy áramú csatlakozó.
Polaritásvédelemmel van ellátva, egyszerűen használható.
csatlakozó: DeansDeansA felhasználók által talán legkedveltebb típus.
Viszonylag körülményes a forrasztása, de polaritásvédelemmel van ellátva és egyszerűen használható.

A Li-Ion akkumulátorok egyik fontos élettartami jellemzője a belső ellenállása. Ez a használat során szép lassan emelkedik, de a környezeti hőmérséklet függvényében rövid távon is változhat. Ráadásul a magas C-rátájú akkumulátoroknak általában alacsony a belső ellenállása. A belső ellenállás a töltés közben hőt termel a cellán belül és ez kémiai reakciókhoz, gázfelszabaduláshoz vezet. Ilyenkor az akkumulátor elkezd lassan (vagy rossz esetben meglehetősen gyorsan) felpuffadni. Ez gyakorlatilag az akkumulátor élettartamának a végét is jelenti.

A belső ellenállás egy nagyobb teljesítményű (>1W) egy ohm-os ellenállással viszonylag egyszerűen mérhető, csak éppen – saját tapasztalat -ennek a mérésnek önmagában semmi értelme. Túl sok minden tudja befolyásolni a belső ellenállást – környezeti hőmérséklet, típus, konfiguráció,.. – így egy akkumulátor belső ellenállási értéke gyakorlatilag semmit nem árul el annak állapotáról. Valószínűleg a belső ellenállás-értéket folyamatosan (mintavételekkel) kell ellenőrizni, a hőmérséklettel kell korrigálni, és úgy már talán ki lehet belőle hozni valami használhatót…

A felszabaduló gáz, ami felpuffasztja az akkumulátor csomagot, jórészt a felszabaduló oxigénből áll, ami robbanásveszélyessé teszi az egységet, ráadásul az, a megnövekedett belső ellenállás miatt egyre inkább fel fog melegedni.

Ha az ilyen felhevült és felduzzadt akkumulátort kilyukasztja, azzal legalább tüzet, de inkább robbanást fog kiváltani, mivel a távozó és felhevült lítium reagál a levegő páratartalmával, és tovább hevül. Ilyen esetben a legbiztonságosabb ezeket a cellákat kevésbé tűzveszélyes és hideg közegbe tenni, megvárni, míg kihűlnek és kidobni:

felhevült és felduzzadt akkumulátor

Karakterisztika

A töltéshez mindenképpen Li-Ion kompatibilis töltővel kell rendelkeznünk. Ez az akkumulátor fizikai jellemzőit követően egy állandó áramú és feszültségű (Constant Current / Constant Voltage CC/CV) töltő lehet. Ezek általában úgy működnek, hogy a töltés során tartják az állandó áramot mindaddig, amíg a cellánkénti feszültség el nem éri a 4,2V-os maximumát, utána pedig az állandó feszültséget.

Constant Current / Constant Voltage

Balancing

Fontos, hogy a cellák mindegyike azonos mértékben töltődjön, ez az un. „balancing” funkció, ami szintén ezeknek a töltőknek a sajátja. Az NiMH és NiCd akkumulátorokhoz impulzus-töltőket lehet alkalmazni, ezek jó eséllyel a LiIon egységeket hazavághatják, de legalábbis csökkentik az élettartamukat.

Töltés időtartama

Amennyiben a gyártó másként nem rendelkezik, ez 1C lehet, azaz a névleges kapacitással megegyező módon és dinamikával lehet visszatölteni. Ez azt jelenti, hogy például a 800 mAh-s egységeket maximum 0,8A-rel szabad tölteni.

LiPo akkumulátor

Amennyiben a gyártó másként ítéli meg a dolgot, például fent, a „2C change rate” felirattal, amivel ennek a kétszeresét is megengedi, eltérhetünk az aranyszabálytól – persze csak akkor, ha ezt a töltőnk is lehetővé teszi.

Párhuzamos töltés

Nagyon sokan (nem mindenki!) egyetértenek azzal a kijelentéssel, hogy a LiIon akkumulátorokat soha nem szabad házilag párhuzamosan tölteni. Ezzel ugyanis az a probléma, hogy a soros töltéssel szemben itt nem kísérhető figyelemmel az összes cella paramétere, így az adott cellák túltöltése rejtve maradhat.

Ez abban az esetben fordulhat elő, ha a párhuzamosan kötött celláknak nem egyezik meg az összes belső paramétere (kémiai összetétel, kapacitás,..). Nyilván, amikor gyárilag építik össze az akkumulátor-konfigurációkat, ott ez a hiba a pontos mérésekkel elkerülhető, de házilag egy csaknem lehetetlen. Mindenesetre ha valaki a párhuzamos töltés mellett dönt, az alábbi szabályokra ügyeljen:

  • Ügyeljen mindig az egységek túlmelegedésére, ne töltse ezeket tűzveszélyes környezetben
  • Mindig azonos konfigurációjú és lehetőség szerint azonos típusú egységeket töltsön
  • A töltési C-rátát semmiképpen se haladja meg
  • A töltésre kerülő egységek közötti feszültségkülönbség ne haladja meg a 0,2 V-ot
  • Ha van a töltőn és az egységeken cellánkénti (balancing) csatlakozó, mindenképpen használja

Soros töltés

A soros töltésnél lehetőség szerint olyan töltőegységet kell beszerezni, amibe a töltővezetéken kívül a cellánkénti csatlakozó is beilleszthető.

Tárolás

A régi típusú akkumulátorok esetén a teljes feltöltést követően elég volt ezeket feldobni a polcra, és onnan leemelni a következő felhasználásukkor. A LiIon ennél sajnos jóval kényesebb. Tárolása előtt a cellák feszültségét 3,8V-ra kell beállítani. Sajnos tárolás közben sem szabad elfelejteni, hogy a LiIon akkumulátorok tartalma gyúlékony, és a begyújtáshoz szükséges energia is ott lapul bennük: az egységeket tűzzáró dobozokban, de minimum nem gyúlékony környezetben kell tárolni.

Töltők

Az ideális töltővel szemben támasztott követelmények:

  • CC/CV: állandó áram és feszültség
  • több konfiguráció töltésére is alkalmas legyen (1S, 2S, 3S, 4S,..)
  • legyen cellánkénti csatlakozója (balancing)
  • többféle csatlakozótípus is legyen hozzá (ez házilag is megoldható)
  • CID: rendelkezzen a töltési védelmekkel (Charge Interrupt Devices):
    • LVC: túlmerítés-védelem (Low Voltage Cutoff)
    • OVP: túláram-védelem (Over Voltage Protection)
    • PTC: hőmérséklet-felügyelet (Positive Temperature Coefficient Switches)

Ezen kívül jó, ha tudja az alábbi módokat:

  • balance charge: cellánként kiegyenlített (lassú, de kíméletes) töltés
  • fast charge: mindent bele
  • discharge: lemerítés a minimumig, mondjuk olyankor, ha felpuffadt az akkumulátor
  • storage charge: tárolási feszültség beállítása, mielőtt eltesszük az akkumulátort

Sandor Vamos 2018/09/13 13:08