Nu toate celulele cu litiu sunt construite la fel. Exista câteva chimii diferite ale bateriilor cu litiu care au caracteristici si specificații diferite. Toate au propriile avantaje si dezavantaje.

Celule Litiu-ion (Li-Ion)

Li-ion este unul dintre cele mai comune tipuri de baterii cu litiu folosite in dispozitivele portabile; electronice de larg consum, cum ar fi telefoane mobile, laptopuri, scule electrice, biciclete electrice etc. Au cel mai bun raport energie/greutate si sunt, de asemenea, unele dintre celulele cu cea mai mare densitate energetica, ceea ce înseamnă ca pot înmagazina mai multa energie in niște dimensiuni reduse.

In funcție de tip, celulele li-ion sunt relativ sigure, cel puțin dintre bateriile cu litiu. Majoritatea celulelor li-ion nu vor lua foc daca sunt perforate sau daca celula este grav deteriorata, deși acest lucru se poate întâmpla cu unele tipuri de li-ion si a fost observat de multe ori. Riscul de incendiu este întotdeauna prezent la bateriile cu litiu, dar este de obicei cauzat de neglijenta sau de suprasolicitarea unei celule sau a bateriei. Scurtcircuitarea unei baterii este cel mai bun exemplu de neglijenta sau utilizare defectuoasa.

Durata de viață a celulelor Li-ion se măsoară ca si la celelalte tipuri de celule in cicluri de încărcare/descărcare. Celulele Li-ion au o durata de viață relativ lunga. Cea mai mica este evaluata la aproximativ 300 de cicluri pana se ajunge la 70-80% din capacitatea inițială, în timp ce altele, pot avea peste 1000 de cicluri. Exista, desigur, modalități de a extinde numărul de cicluri, prelungind astfel si mai mult durata de viață a celulelor cu litiu. Cu toate acestea, daca luam in considerare informațiile furnizate de producători, celulele li-ion pot fi catalogate ca fiind produse de calitate medie, caracteristici si performate medii, in comparație cu celelalte chimii.

Prețul este întotdeauna important si este un factor determinant atunci când alegeți componentele pentru orice proiect de construcție a unei baterii. Celulele Li-ion au un preț mediu comparativ cu celelalte baterii cu litiu. Exista baterii, cu o alta chimie care sunt mai ieftine ( RC lipo ) dar si altele (litiu-fier phosphat) care sunt mai scumpe.

Marele avantaj al bateriilor li-ion este disponibilitatea. Deoarece aceasta este cea mai utilizata chimie a bateriilor cu litiu, este disponibila si in cele mai diferite dimensiuni, forme, capacitate si varietăți chimice care au efecte diferite asupra performantelor.

Una dintre cele mai comune, mai utilizata, mai ușor de găsit tipuri de celule li-ion este celula cilindrica 18650. Exista foarte multe celule li-ion 18650 de calitate superioara de la producători recunoscuți pentru calitate, dar sunt si celule li-ion 18650 de o calitate puțin mai slaba. Deoarece celulele 18650 sunt folosite frecvent in produsele OEM, de la vehicule electrice la dispozitivele portabile, au fost dezvoltate cu o gama larga de specificații. In funcție de aplicația pentru care au fost dezvoltate se găsesc celule li-ion ieftine, de putere redusa, cum ar fi celulele Samsung ICR18650-26F, care sunt perfecte pentru proiecte simple ce nu necesita curenți mari, sau Sony US18650VTC5, care au aceeași capacitate, dimensiune si greutate, dar pot oferi un curent de descărcare mai mare cu pana la 600%.

Apariția celulelor 18650 de putere mare, cu curent mare de descărcare, putem spune ca se datorează uneltelor electrice. Producătorii de astfel de unelte au fost unii dintre primii care au cerut celule li-ion cilindrice de putere mai mare, ceea ce a stimulat industria bateriilor sa răspundă si sa satisfacă aceasta cerere cu celule de putere noi si cu o capacitate din ce in ce mai mare. O cantitate mai mare de energie in aceeași dimensiune.

Este dificil de spus ce fel de utilizare ar fi cea mai potrivita pentru aceste baterii li-ion, mai ales pentru ca aceste celule li-ion au o gama atât de variata de caracteristici. In orice caz. daca proiectul dvs. are limite in ceea ce privește spațiul si greutatea, sau are nevoie de o putere moderata sau mare, li-ion este probabil o soluție buna.

Majoritatea celulelor li-ion au o tensiune nominala cuprinsa intre 3,6V si 3,7V si un interval de tensiune de încărcare - descărcare intre 4,2V – 2,5V. Celulele Li-ion au o capacitate maxima in acest interval de tensiune (încărcare pana la 4,2V/celula, descărcare pana la 2,5V/celula), dar se recomanda evitarea descărcării celulelor Li-ion pana la 2,5V/celula foarte des. Se pot descărca, dar aceasta le reduce substanțial durata de viață. Majoritatea sistemelor de gestionare a bateriilor (Battery Management Systems BMS) pentru bateriile Li-ion limitează descărcarea la o tensiune de 2,7V - 2,9V/celula. Descărcarea sub 2,5 V sau nerespectarea curentului maxim de descărcare va provoca deteriorarea ireparabila a celulei, si in unele cazuri scurtcircuitarea celulei.

Au apărut si sunt disponibile unele celule Li-ion de generație mai noua, cu o alta chimie, care sunt concepute pentru a fi încărcate pana la 4,3V - 4,4V. Acestea sunt însă o excepție, majoritatea celulelor Li-ion nu ar trebui sa fie încărcate la mai mult de 4,2 V. Verificați întotdeauna specificațiile tehnice si recomandarea producătorului pentru tensiunea de încărcare si descărcare. Supraîncărcarea unei celule li-ion nu numai că ii reduce durata de viață, dar poate fi si periculoasa.

Celule Oxid de litiu mangan (LiMn₂O₄ sau li-mangan)

LiMn₂O₄ primește numele de la utilizarea manganului in catod. Au fost dezvoltate la sfârșitul anilor 1970, fiind una dintre primele baterii cu litiu comercializate pe piață. LiMn₂O₄ poate suporta curenți de descărcare relativ mari pentru perioade scurte de timp, oferind in același timp o stabilitate termica ridicata. Acest lucru face din aceste celule unele dintre cele mai sigure variante litiu, deoarece sunt necesare temperaturi mai ridicate pentru a provoca defecțiuni sau deteriorări.

Celulele LiMn₂O₄ pot fi, de asemenea, proiectate fie cu o putere mai mare, fie cu o capacitate mai mare, una in detrimentul celeilalte. Dezavantajul LiMn₂O₄ este durata de viață relativ scăzută in comparație cu alte celule Li-ion cu chimie diferita. Un exemplu de celulă LiMn₂O₄ este LG18650 HB2.

Oxid de litiu cobalt (LiCoO₂ sau li-cobalt)

LiCoO₂ a fost dezvoltat aproximativ in aceeași perioada cu LiMn₂O₄ si a fost, de asemenea, una dintre primele tipuri de celule cu litiu disponibile pe piață. Utilizează o structura stratificata de cobalt in catod. LiCoO₂ este cunoscut pentru prețul sau relativ scăzut si o capacitatea mare, dar are, in general, un curent de descărcare mai mic si o durata de viață moderata. Are, de asemenea, o temperatura mai scăzută, ceea ce o face oarecum mai puțin sigura decât alte variante de chimie Li-ion. Un exemplu de LiCoO₂ este celula Samsung ICR18650-26F.

LiCoO₂ este, de asemenea, baza mult mai periculoaselor baterii RC lipo. In bateriile RC lipo, chimia este modificata pentru a produce o celula mult mai puternica, capabila sa furnizeze un curent de descărcare extrem de mare. Aceasta putere sporita vine in detrimentul siguranței, a  greutății si a duratei de viață.

Oxid de litiu Nikel Mangan Cobalt (LiNiMnCoO₂ sau NMC)

Celulele LiNiMnCoO₂ sunt celule cu o chimie relativ noua, care este în continua dezvoltare. NMC vine cu o îmbunătățire a dezavantajelor multor tipuri anterioare de celule Li-ion, păstrând in același timp avantajele. NMC împărtășește multe dintre avantajele chimiilor LiCoO₂ si LiMn₂O₄. Prin combinarea cobaltului si a manganului, incluzând apoi nichelul, celulele NMC au demonstrat o putere, capacitate si siguranță relativ ridicate.

Prin optimizarea amestecului de cobalt, mangan si nichel in catod, precum si prin includerea altor elemente atât in catod, cat si in anod, celulele NMC au fost proiectate si produse oferind o performanta îmbunătățită in aproape orice domeniu de utilizare. Alte substanțe chimice sunt capabile sa atingă performante mai bune in unele categorii, iar NMC are unele dintre cele mai mari performante generale dintre toate bateriile cu litiu.

Acest lucru face ca tehnologia NMC sa fie o chimie excelenta din toate punctele de vedere. Nu are cele mai bune performante la nici o categorie, dar are performante medii in toate categoriile. Un exemplu de celula NMC este Samsung INR18650-25R, care este proiectata pentru curenți relativ mari si o capacitate medie.

Oxid de litiu Nikel Cobalt Aluminiu (LiNiCoAlO_2, NCA sau NCR)

Chimia celulelor LiNiCoAlO₂ este foarte asemănătoare cu chimia NMC, dar cu aluminiu in loc de mangan in catod. Adăugarea de aluminiu ajuta celulele NCA sa atingă cea mai mare capacitate in aceleași dimensiuni dintre toate chimiile Li-ion. Dezavantajele sunt o scădere ușoară a duratei de viață si a puterii in comparație cu majoritatea celorlalte combinații chimice. Un exemplu de celula NCA este celula Panasonic NCR18650B, care a fost folosita si  pentru primele vehicule electrice dezvoltate de Tesla.

La fel ca NMC, NCA este o chimie foarte promițătoare pentru dezvoltarea viitoare a celulelor Li-ion. Este cea mai potrivita pentru utilizare acolo unde este nevoie de capacitate mare, densitate de energie mare. Acesta este motivul pentru care a fost selectat de Tesla pentru a fi utilizat in mașinile lor electrice. NCA excelează in a înmagazina cea mai mare cantitate de energie in același spațiu. Cu o baterie suficient de mare, puterea sa relativ mai mica poate fi atenuata. Cu toate acestea, cercetările continua si îmbunătățirile nu vor întârzia sa apară si vor contribui la creșterea performantelor acestui tip de celule, făcând-o sa fie si mai competitiva.

Litiu polimer (li-poli, lipo sau RC lipo)

S-a creat o mare confuzie in ceea ce privește bateriile cu litiu-polimer. Acest lucru se datorează in mare parte faptului ca celulele pentru care termenul a fost creat inițial si celulele pe care majoritatea oamenilor le numesc in prezent celule litiu-polimer nu sunt aceleași.

Am spus anterior cum sunt fabricate celulele cu litiu, din ce materiale, structura lor. Au un anod, un catod si un material electrolit lichid sau mai frecvent sub forma de gel intre cele doua. Așadar, termenul original „baterie litiu-polimer” se referea la un nou tip de celule cu litiu care foloseau un electrolit solid (uneori denumit „uscat”) in loc de electrolitul lichid sau gel obișnuit. Electrolitul solid folosit in aceste celule experimentale a fost un polimer, sau material plastic, dând naștere denumirii „baterie litiu-polimer”.

Aceasta noua tehnologie pentru bateriile cu electrolit uscat a promis baterii incredibil de sigure. Problema este ca electrolitul uscat nu conduce electricitatea foarte repede la temperatura ambianta. Asta însemnă ca bateriile trebuie încălzite pentru a funcționa corect. Acest lucru a fost, evident, o problema pentru majoritatea aplicațiilor.

Așadar, bateriile corect denumite litiu-polimer nu au funcționat niciodată. Problema confuziei  numelui a apărut atunci când unii producători au început sa facă referire la alte celule care aveau ambalajul din polimer, si anume celulele de tip punga ca celule „litiu-polimer”. Acest lucru a devenit confuz, deoarece aceste celule nu aveau cu adevărat electroliți polimerici, ci au avut electroliții lichizi sau sub forma de gel cu ajutorul unui polimer extern. Acestea ar trebui denumite într-adevăr celule „litiu-ion polimer” pentru a le distinge de celulele originale, necomercializate „litiu-polimer”. Cu toate acestea, odată ce oamenii au început sa le numească celule litiu-polimer, a început confuzia.

Dar confuzia nu se oprește aici! Pentru ca ceea ce oamenii au început sa numească baterii litiu-polimer (care erau de fapt baterii litiu-ion polimer iar celulele au un format de tip punga) sunt de fapt aproape identice cu bateriile standard litiu-ion care existau deja. Au aceleași materiale, sau similare, catodice si anodice si cantități similare de electrolit. Principala diferența este ca bateriile litiu-ion polimer folosesc un electrolit micro-poros in locul stratului separator poros normal plasat in electrolitul celulelor li-ion.

Aceasta înseamnă ca toate bateriile „litiu-ion polimer” si „litiu-ion” disponibile azi sunt din punct de vedere tehnic baterii li-ion. Toate sunt similare si funcționează prin transportul ionilor de litiu de la catod la anod si invers printr-un electrolit. Dar termenul "lipo", care este prescurtarea pentru litiu-polimer, este acum folosit in mod obișnuit pentru a se referi la forma celulelor, si anume celule de tip punga care este realizata din material polimeric, si nu la materialele din care sunt construite. Datorita acestei utilizări a termenului "lipo", celulele de tip punga au preluat termenul de celula lipo. De fapt, o celula de tip punga este pur si simplu un tip un design al carcasei celulei si poate fi folosita pentru a produce li-ion, LiFePO4 sau, alte noi combinații chimice in viitor. Deci „celula de tip punga” descrie forma, nu chimia. Dar acum toata lumea denumește, celulele ce tip punga drept „lipo”

In cele din urma, exista o întreagă gama de celule li-ion utilizate pentru jucării si vehicule controlate radio (RC), care sunt denumite in generic baterii lipo. Acestea sunt celule li-ion de putere extrem de mare care sunt utilizate in mod special in industria RC pentru capacitatea lor de a furniza cel mai mare curent posibil.

Aceasta e cea mai des întâlnită utilizare a bateriilor lipo. Din acest motiv mă voi referi la aceste baterii si le voi denumi ca baterii „RC lipo”. Aceasta nu este utilizarea inițială a termenului litiu-polimer, dar este o convenție folosita in mod obișnuit astăzi si, prin urmare, îl voi folosi.

Cel mai important de reținut este aceasta mare confuzie in industrie in ceea ce privește termenii litiu polimer, Li-ion si lipo. Din acest motiv, termenul „RC lipo” il voi folosi pentru baterii Li-ion special concepute pentru utilizarea in dispozitive radio comandate, iar toate celelalte baterii litiu-ion vor fi denumite Li-ion. Nu voi folosi termenul de litiu-polimer, deoarece orice alta celula de pe piață numita „litiu-polimer” azi este de fapt doar litiu-ion, celulele reale „litiu polimer” nu au fost niciodată produse la scara larga.

A fost important sa subliniez confuzia si sa încerc să-i dau un sens. Acum sa revenim la bateriile RC lipo. Bateriile RC lipo sunt cele periculoase. Acestea sunt cele mai predispuse la supraîncălzire si pot genera incendii daca nu se respecta întocmai procedurile de încărcare si descărcare. Ele sunt sigure, dar sunt in același timp, incredibil de volatile atunci când sunt utilizate necorespunzător.

Ce anume face speciale bateriile RC lipo? Celulele RC lipo au o chimie mai speciala bazata pe cobalt si litiu potrivita pentru aplicații care necesita o putere mare si furnizează curenți mari de descărcare. Ele pot oferi rate de descărcare mari pentru perioade lungi de timp si rate de descărcare foarte mari pentru perioade scurte (înainte sa se supraîncălzească si revenim la acel scenariu nefericit de incendiu despre care amintit).

Celulele RC lipo sunt folosite aproape exclusiv in industria vehiculelor radio comandate, cu telecomandă pentru echipamente precum drone, elicoptere, avioane, mașini etc. Aceste dispozitive necesita curenți de descărcare mari sau foarte mari de la o baterie de dimensiuni mici si cat mai ușoară. Celulele RC lipo nu sunt cele mai ușoare celule (acestea sunt variante ale celulelor li-ion convenționale), dar pot oferi o putere mult mai mare la aceeași greutate, sau o greutate puțin mai mare.

Celulele RC lipo sunt, de asemenea, cele mai ieftine celule cu litiu disponibile. Ele costa mult mai puțin decât celulele Li-ion sau LiFePO₄, devenind astfel atractive si pentru alte aplicații care folosesc baterii, cum ar fi bicicletele electrice.

Un dezavantaj major al celulelor RC lipo (pe lângă faptul că RC lipo sunt practic mici bombe) este durata de viață foarte scurta. O durata de viață de aproximativ 200 de cicluri de încărcare/descărcare pentru o celula RC lipo poate fi considerata o performanta destul de buna. Unele celule RC lipo pot ajunge chiar si la 300 de cicluri, dar nu au o durata de viață atât de mare precum celulele Li-ion si nici nu se apropie de durata de viață a celulelor LiFePO₄ (Notă: iau in considerare la numărarea ciclurilor doar ciclurile complete de încărcare/descărcare. (încărcarea si descărcarea parțială pot prelungi durata de viață a aproape tuturor tipurilor de baterii cu litiu).

O altă problema a celulelor RC lipo este procesul de încărcare puțin mai complicat. In timp ce celulele Li-ion sau LiFePO₄ sunt destul de ușor de încărcat, mai ales când se utilizează un sistem de gestionare a bateriei (BMS), celulele RC Lipo necesita încărcătoare cu funcția de echilibrare, mai scumpe, pentru a va asigura ca toate celulele dintr-o baterie sunt încărcate si menținute la tensiunea corecta si echilibrate.

Bateriile RC lipo trebuie monitorizate atent deoarece atunci când se îndepărtează de intervalul lor de tensiune nominala, devin incredibil de volatile. O căutare rapida pe YouTube după „supraîncărcarea celulelor lipo RC” vă va ajuta sa va faceți o idee despre ceea ce vreau sa spun. Este extrem de important ca celulele RC lipo sa fie încărcate in intervalul de tensiune specificat. de asemenea, nu ar trebui sa fie descărcate profund sau prea mult niciodată. Descărcarea unei celule RC lipo sub 2,5V si apoi încărcarea ei poate duce la aprinderea celulei, in special daca se încarcă cu un curent de încărcare prea mare. Din acest motiv, celulele RC lipo trebuie monitorizate cu atenție si in timpul descărcării, pentru a ne asigura că nu sunt descărcate prea mult dar si in timpul încărcării.

Este posibila reîncărcarea celulelor RC lipo care au fost supra-descărcate, dar încărcarea trebuie făcută cu un curent de încărcare foarte scăzut si monitorizata atent deoarece poate duce cu ușurință la un incendiu, in funcție de cat de deteriorata a fost celula. Ideal, acest lucru ar fi de evitat, dar daca este necesar, încărcarea ar trebui sa fie făcută intr-un mediu monitorizat si departe de orice lucru inflamabil.

Celulele RC lipo sunt similare electrochimic cu celulele Li-ion si au o tensiune nominala de 3,7V. Cu toate acestea, trebuie avut grija sa nu fie descărcate excesiv, nu este recomandat sa le descărcați sub 3,0V. Menținerea unei tensiuni mai mari de 3,2V este considerata mai sigura. In domeniul aeronavelor (sau a jucăriilor cu telecomanda), mulți utilizatori vor înceta sa mai utilizeze dispozitivele atunci când o baterie ajunge la 3,5V, menținând astfel o marja de siguranță mai mare. Tensiunea maxima a celulelor RC lipo nu trebuie sa depășească niciodată 4,2V in stadiu încărcat.

De asemenea, trebuie remarcat faptul ca aceste tensiuni sunt considerate tensiune „sub sarcina”. In funcție de sarcina curenta, o celula cu litiu (de orice chimie) va avea o scădere a tensiunii. O celulă RC lipo nu ar trebui sa scadă niciodată sub 3,0 V in timpul utilizării. Daca descărcarea se oprește la 3,0V in sarcina, tensiunea măsurată după ce consumatorul este îndepărtat va reveni la o tensiune mai mare, probabil în intervalul 3,3V - 3,5V, deci un nivel si mai sigur pentru ca tensiunea de repaus este de aproximativ 3,7V. Din acest motiv, este foarte important sa monitorizați celulele RC lipo sub sarcina pentru a va asigura ca nu se descarcă niciodată sub limita de siguranță.

Litiu Fier Fosfat (LiFePO₄)

Bateriile litiu fier fosfat sunt din punct de vedere tehnic tot subcategorie al clasei Li-ion, dar sunt suficient de diferite încât sa fie adesea enumerate separat. Celulele LiFePO₄ sunt mai grele, având totodată o densitate de energie mai mica decât majoritatea celulelor Li-ion. Aceasta înseamnă ca bateriile construite din celule LiFePO₄ vor fi mai voluminoase si mai masive decât bateriile Li-ion sau RC lipo de aceeași tensiune si capacitate. Cantitatea de energie variază in funcție de formatul celulei, dar vă puteți aștepta ca o baterie LiFePO₄ sa fie de aproximativ doua ori mai mare decât o baterie Li-ion având aceeași tensiune si capacitate.

Celulele LiFePO₄ sunt, de asemenea, unele dintre cele mai scumpe celule. Costul lor variază in funcție de mai mulți factori, inclusiv dimensiunea celulei, formatul, furnizorul si locația, dar este posibil sa fie mai scumpe celulele LiFePO₄ decât pentru celulele Li-ion de aceeași capacitate.

Cele mai frecvent disponibile celule LiFePO

Tipuri si forme ale celulelor cu litiu

Postat de Carbat Store | on 09 Mar