Li-ion baterie

Známe je všichni a denně je používáme v noteboocích, mobilních telefonech a dalších elektronických přístrojích. Také elektromobily jezdí nejčastěji na Li-Ion baterie. Nahradily starší a dnes již téměř nepoužívané baterie olověné, NiFe, NiCd, NiZn a NiMH. Ty byly často nešetrné k životnímu prostředí a doba nabíjení i celkový výkon se s moderními bateriemi nedá srovnat. Podívejme se, na jakém principu vlastně Li-ion pracují a jaké jsou jejich výhody a nevýhody.

Akumulátory Li-ion jsou úžasný zdroj energie – jsou malé, lehké a výkonné. Hodí se pro přístroje s malým a středním odběrem.

Historie lithiových baterií

S lithiovými články experimentoval už v roce 1912 Američan G. N. Lewis. První lithiové články, tehdy ještě nenabíjecí, však byly na trhu až v roce 1970. Vývoj nabíjitelných článků v 80. letech byl neúspěšný, neboť články byly nebezpečné a snadno explodovaly. Zkoušelo se kovové lithium, jeho sloučeniny, sulfidy různých kovů, sloučeniny titanu, wolframu, niobu, vanadia a molybdenu, ale výsledky pořád ještě nebyly zcela uspokojivé. Obrat nastal poté, co bylo chemicky velmi nestabilní kovové lithium nahrazeno oxidem lithia a kobaltu. První dobíjitelné akumulátory Li-ion prodávala firma Sony až v roce 1991.

Princip

Název dostala Li-Ionová baterie podle iontů lithia, které v baterii přecházejí elektrolytem ze záporné elektrody na kladnou (obr. 2), a přenášejí přitom elektrický náboj. Když se baterie nabíjí, posílá nabíječka do baterie větší proud o stejné polaritě, než je baterie schopná vyrobit sama, a tím se ionty lithia – nositelé elektrického náboje – vracejí zpátky na zápornou elektrodu. Záporné elektrody se vyrábějí ze sloučenin uhlíku a grafitu, do jejichž krystalové mřížky se vpraví ionty lithia. Kladné elektrody jsou z lithiokobaltového oxidu. Elektrolyt tvoří lithiová sůl v organickém rozpouštědle ethylenkarbonátu. V praxi se dnes můžete setkat se dvěma typy Li-ion akumulátorů, které se liší provedením záporné elektrody – v prvním případě je z mikrokrystalické formy uhlíku, v druhém z grafitu. Tyto akumulátory se liší tvarem vybíjecí křivky, nabíjecím napětím a napětím, při kterém je třeba ukončit vybíjení. S Li-ion akumulátory se setkáte buď ve formě jednotlivých článků, nebo tzv. „akupaků“ pro mobilní přístroje. Jednotlivé články se dnes používají jen výjimečně u energeticky nenáročných přístrojů. Akupaky pak v mobilních telefonech, přenosných počítačích a videokamerách. Akupaky bývají vybaveny ochranným obvodem, který zamezuje zničení, případně i explozi článku při nesprávné manipulaci nebo závadě napájeného přístroje či nabíječky. Ochranný obvod zpravidla hlídá minimální a maximální napětí článku, případně i maximální vybíjecí a nabíjecí proud. Pokud je překročen maximální proud nebo povolený rozsah napětí, obvod článek odpojí. Ochranný obvod odebírá z článku trvale proud řádu jednotek až desítek mikroampér. Akupaky také bývají osazeny termistorem, který informuje nabíječku o teplotě článku.

Výhody Li-ion baterií

• Velmi nízká hmotnost – zhruba třetinová oproti olověným akumulátorům.
• Velmi vysoká hustota energie – 200 Wh/kg, 530 Wh/l – třikrát vyšší hodnota než u starších typů baterií. To znamená, že jde o baterii s relativně vysokou kapacitou a malým objemem a hmotností.
• Až 4krát vyšší startovací proud ve srovnání s olověnými bateriemi.
• Rychlé nabíjení – nabití na 90 % během několika minut.
• Mimořádně dlouhá životnost – více než 2000 nabíjecích cyklů (olověný akumulátor má cca 300 cyklů). Extrémně nízké samovybíjení do 5 % (v elektrických vozidlech nevadí krátké jízdy ani mnohonásobné startování).
• Může být vyrobena v různých tvarech.
• Vysoká konstrukční odolnost proti vibracím.
• Nevyžaduje prakticky žádnou údržbu a lze ji dobíjet jakoukoliv moderní nabíječkou.
• Není ji třeba formovat, tj. několikrát nabíjet a vybíjet před prvním použitím.
• Šetrná k životnímu prostředí, protože neobsahuje žádné těžké kovy ani žádnou kyselinu.
• Nemá paměťový efekt.

Nevýhody Li-Ion baterií

• Vysoká cena.
• Nesmějí se nechat vybít pod určitou mez. Za nulu je u nich považováno 10 V. Když se dostane pod napětí 2,8 V, je velmi těžké ji znovu „oživit“.
• Při velmi nízkých teplotách (pod bodem mrazu) klesá účinnost při skladování. Optimálně skladujte záložní baterie v chladu (cca 6 ^oC), oproti 25 ^oC jim prodloužíte životnost přibližně 2krát).
• Baterie stárne, tedy ztrácí maximální kapacitu nehledě na to, jestli je nebo není používána (již od výroby). Rychlost tohoto stárnutí se zvyšuje s vyšší teplotou, vyšším stavem nabití, a vyšším vybíjecím proudem/zatížením. Stárnou nejpomaleji, když jsou nabité mezi 70 a 80 procenty. Baterie, která je dlouhou dobu ponechána vybitá, se může sama vybít pod přípustnou hodnotu. Nenechávejte zbytečně dlouho plně nabité nebo úplné vybité baterie stát.
• Nebezpečí výbuchu nebo vznícení při nesprávném používání (zkratování, nabíjení na vyšší kapacitu, než je baterie schopna pojmout).

Nabíjení Li-ion

Akumulátory Li-Ion se nabíjejí standardně ze zdroje napětí s omezením nabíjecího proudu. Typický průběh nabíjení článku Li-Ion je na obr. 3. Je z něj patrné, že článek se nabíjí velmi rychle. V první fázi se článek nabíjí proudem tak dlouho, dokud napětí na článku nedosáhne konečného nabíjecího napětí. Nabíjecí proud ani nemusí být konstantní; stačí, když nepřekročí maximální nabíjecí proud. V okamžiku, kdy napětí článku dosáhne konečného nabíjecího napětí, je článek nabit přibližně na 70 %, pokud byl předtím téměř vybit. V druhé fázi se článek nabíjí konstantním napětím a nabíjecí proud se postupně zmenšuje. Článek považujeme za nabitý, pokud nabíjecí proud poklesne na zlomek původního nabíjecího proudu, většinou asi na 5 %. Nabíjecí proud se postupně zmenší až k nule. To je výhoda, neboť nehrozí přebití článku. Dobu nabíjení nemusíme hlídat a článek může být v nabíječce libovolně dlouho.

V praxi asi nebudete muset články formovat. Elektronické obvody přístrojů napájených akumulátory Li-Ion zpravidla zařízení vypnou dříve, než je článek zcela vybit. Poslední pojistkou je ochranný obvod v akupaku.

Přepravci se bojí výbuchu

Mezinárodní asociace leteckých dopravců (IATA) od letošního roku zpřísnila pravidla pro přepravu lithiových baterií. Nově není možné akumulátory běžně převážet na pasažérských letech. Nové podmínky omezují zejména množství převážených baterií v jednom balení. „Důvodem jsou výsledky prováděných testů. Ty prokazují, že lithium kovové baterie, které nejsou správně odbavené nebo jsou poškozené, vadné či nesprávně zabalené, jsou náchylné k přehřátí a samovznícení. Dále testy prokázaly, že i správně zabalené a odbavené lithium kovové baterie se mohou rovněž vznítit následkem zahřátí od jiného zdroje,“ vysvětlila Helena Budská z Odboru civilního letectví Ministerstva dopravy ČR. Podmínky pro přepravu lithiových baterií se ocitly v hledáčku regulátorů letecké dopravy již před dvěma lety. Podle IATA totiž baterie nemohou být přepravovány jako běžné zásilky, tedy general cargo, ale musejí být přepravovány v režimu DGR, tedy dangerous goods. Z důvodu změny zařazení a stále přísnějším pravidlům se však domácí prodejci baterií a elektroniky potýkají s růstem nákladů. „Kvůli stále vyšším nárokům ze strany IATA rostou náklady na leteckou dopravu baterií, a to dokonce o desítky procent. Akumulátory totiž musejí být kvůli bezpečnosti speciálně baleny. Tyto obaly jsou finančně náročné samy o sobě, navíc vyšší objem zásilek zdražuje cenu přepravy. Výdaje na dopravu baterií tak tvoří pětinu z konečné ceny produktu,“ sdělil Radim Tlapák, ředitel předního tuzemského e-shopu s bateriemi BatteryShop.cz. „Přehodnocujeme tedy naši logistickou strategii a ve vyšší míře využíváme lodní dopravu. Doručení trvá sice o několik týdnů déle, ale při vyhodnocení prvních letošních zásilek se ukázalo, že cena je pětkrát levnější, než je tomu v případě letecké přepravy,“ doplnil Radim Tlapák.

(S využitím materiálů společnosti NTB CZ, s.r.o., skupiny DSV Air & Sea s.r.o. a FI MU Brno)