(NE)VARNOST Lithium Ion (LiIon) akumulatorjev, zgodovina in posebnosti

Lithium Ion, v nadaljevanju LiIon, je trenutno vodilna tehnologija vgrajenih akumulatorjev v večino modernih elektronskih naprav. S svojimi karakteristikami kot so visoka energijska gostota, visoka napetost, veliko število ciklov ter majhno samo praznjenje ob neuporabi ali skladiščenju, so LiIon akumulatorji neobhodno potrebni za delovanje prenosnikov, digitalnih fotoaparatov, kamer, MP3 playerjev, ter vse bolj tudi za modelarske makete letal in avtomobilov. Ob omenjenih prednostih, pa ima LiION tudi slabosti oziroma pomankljivosti, na katere moramo biti pozorni, saj so posledice nespoštovanja varnostih standardov pri sestavljanju in uporabi LiIon akumulatorjev lahko usodne.

 

Zgodovina

LiIon tehnologija je bila razvita in pripravljena za masovno uporabo okoli leta 1980, vendar so bile LiIon, takrat Lithium Metal, zaradi varnostnih razlogov hitro umaknjene s tržišča. Razlog je bil predvsem v nenadzorovanem gretju celic pri polnjenju in uporabi. Pregretje celic je povzročilo reakcijo z vnetljivim elektrolitom, kar je sprožilo eksplozijo. Rezultat začetnih eksplozij je bil popolni umik Lithium Metal celic iz tržišča. Napolnljive LiIon celice so bile nato predstavljene in masovno uporabljene šele leta 1991. Praktično isti materiali in postopek, kot ga je Sony predstavil 1991, je v uporabi še danes. Danes so se LiIon celice izkazale kot izredno varne, saj je prijavljenih le nekaj deset eksplozij, proizvedenih in uporabljenih pa je bilo že več sto milijonov celic.




Primeri sestavljenih LiIon paketov 1S, 2S in 3 z zaščitnimi vezji (PCB-ji)

 

Polnjenje, praznjenje in življenjska doba

Standardna polnilna tehnika za polnjenje LiIon akumulatorjev je s konstantnim tokom in konstantno napetostjo, CC-CV (constant current - constant voltage). Polnilni tok za optimalno delovanje naj ne bi presegal 0,7 CmA, v kolikor želimo LiIon polniti hitro, pa lahko napolnimo baterijo do približno 80% v eni uri s polnilnim tokom 1C, kar je ekvivalentno kapaciteti celice. Npr. 1C polnilni tok pri kapaciteti 750mAh, je 750mA.


Praznjenje LiIon je prav tako omejeno. Celice po večini ne prenesejo trajnega praznilnega toka višjega od 1,5C, kar je v kombinaciji z višjo temperaturo okolice že lahko povod za aktiviranje varnostnih zaščit, ki prekinejo delovanje akumulatorja. So pa nekateri tipi LiIon akumulatorjev že sposobni kratkotrajnega praznjenja do 50C in jih pretežno uporabljajo modelarji.


Življenjska doba LiIon akumulatorjev je definirana v številu ciklov polnjenje/praznjenje. Tipično je definiranih najmanj 500 ciklov uporabe, kar pa je močno odvisno od naprave, polnjenja in vplivov okolja. Nekateri uporabniki polnijo akumulatorje vsak dan, drugi pa npr. enkrat na mesec. Življenjska doba prvih bo torej dobro leto, drugi pa imajo lahko akumulator v zadovoljivem stanju tudi tri leta ali več.



Primeri zaščitnih vezij (PCB) za LiIon akumulatorje 1S, 2S in 8S
 

 

Varnost pri uporabi LiIon akumulatorjev

Varnost je pri uporabi LiIon akumulatorjev ključnega pomena. Spoštovanje varnostnih standardov pri izdelavi in sestavljanju LiIon celic je pomembna, saj lahko neupoštevanje standardov povzroči eksplozijo, poškodbe ali celo požar. Verjetno ste že kdaj prebrali članek o eksploziji mobilnega telefona ali polnilnika. Da bi bilo nesreč čim manj, so renomirani proizvajalci postavili visoke varnostne standarde. LiIon celica kot osnovna enota je neuporabna, v kolikor ni nanjo vezan PCB. PCB je kratica za printed safety board ali protection safety board. To je majhno tiskano vezje, ki nadzoruje delovanje LiIon akumulatorjev in omejuje delovanje izven meja dovoljenih okvirov. PCB preprečuje prenapolnjenje (4,2V), preizpraznjenje (2,3V) in omejuje tokove polnjenja in praznjenja (Običajno 2C in s tem tudi kratki stik. PCB je ključnega pomena za optimalno delovanje celotnega akumulatorja in skupaj z delom in testiranjem predstavlja kar 40% cene celotnega akumulatorja v ohišju. Kvalitetni PCB se po vključitvi kakršne koli funkcije, po določenem času resetira in povrne v delujoče stanje, medtem ko se nizko cenovni proizvodi izklopijo in ostanejo nedelujoči in s tem tudi celotni akumulator.



Območje delovanja standardnih PCB-jev, primer tokovne in temperaturne preobremenitve


Proizvajalci, ki izdelujejo kvalitetne LiIon akumulatorje za GSM telefone, video kamere, digitalne fotoaparate ali notesnike imajo povečini višje cene, vendar je pri njih varnost prioriteta. Standard zahteva poseben način izdelave, sestavljanja in testiranje vsake izdelane baterije. Z vgrajenimi kvalitetnimi PCB-ji in spoštovanjem varnostnih zahtev vam poznani proizvajalci zagotavljajo varnost in zadovoljstvo pri uporabi prenosnih naprav. V svetu se vse bolj izogibajo uporabi No Name baterij, povečini Kitajskega ali Taiwanskega porekla, kjer poudarek ni na varnosti temveč na ceni. V kolikor pride do eksplozije take baterije, boste ostali prepuščeni sami sebi, saj so ponavadi proizvajalci dvomljivega porekla in imuni na reklamacijske ali odškodninske zahtevke.


Vsa napisana dejstva veljajo predvsem za standardne LiIon akumulatorje za vsakdanje prenosne naprave. Vsakršna odstopanja so načeloma možna za specifične potrebe uporabnika ali naprave. Specifičnim zahtevam (npr. višji praznilni tokovi) se lahko približamo z izdelavo posebnih PCB-jev ali izbiro ustrezne druge LiIon kemije.