Akumulátory Li-Ion

Ekologické uvědomění průměrného obyvatele není velké, je tedy obtížné prohlásit, zda popularita akumulátorů používaných k napájení přenosných elektronických zařízení pramení ze starostlivosti o Matičku Zemi nebo jednoduše ze šetřivosti. Dlouhá životnost akumulátorů může způsobit potenciální ohrožení poptávky po těchto komponentách, nicméně laboratoře všech známých výrobců baterií a akumulátorů neustále pracují na nových typech nabíjecích článků.

Lithium-iontové (Li-Ion) akumulátory jsou poměrně novým výrobkem, ale rychle získávají uznání uživatelů. Je to ovlivněno velmi pozitivním výsledkem porovnání jejich vlastností s dříve používanými akumulátory NiCd a NiMH.

Li-Ion versus NiCd a NiMH
Jednou z nejpodstatnější předností Li-Ion akumulátorů je vysoká energetická hustota ve vztahu k hmotnosti akumulátoru. Například u článků NiCd dosahuje tento parametr hodnoty 45...80 Wh/kg, u článků NiMH 60...120 Wh/kg, a u Li-Ion 110...160 Wh/kg. Vysoká energetická hustota akumulátorů umožňuje značně snížit hmotnost zařízení, která jsou jimi napájená, což je zvlášť důležité v případě notebooků a mobilních telefonů, ale rovněž digitálních fotoaparátů a videokamer. Další vlastností Li-Ion akumulátorů, velmi důležitou pro uživatele, je, že vůbec nemají paměťový efekt, se kterým se potýkají majitelé akumulátorů NiCd a NiMH. Připomeňme, že se jedná o snížení kapacity článku v případě, kdy nebyl dostatečně vybit před dalším nabíjením. Akumulátory Li-Ion lze bez obav ze zhoršení parametrů nabíjet dle potřeby - nemusejí podstoupit celý nabíjecí cyklus. Napětí Li-Ion článku je mnohem větší než u článků NiCd a NiMH. Je to dáno jeho vnitřní konstrukcí a elektrochemickými jevy, ke kterým v něm dochází. Elektrolytem zde jsou soli lithia rozpuštěné v organických sloučeninách. Ionty lithia se přemisťují mezi katodou vyrobenou z oxidu kovů a anodou vyrobenou z pórovitého uhlíku (grafitu). Střední výstupní napětí Li-Ion článku je rovno přibližně 3,6V, postupně se snižuje podle míry vybití od maximální po minimální přípustnou hodnotu. Z praktického hlediska to je pozitivní vlastnost, jelikož umožňuje průběžně kontrolovat stupeň vybití akumulátoru na základě jeho napětí. U akumulátorů NiCd a NiMH se napětí dlouho drží na téměř stejné úrovni (cca 1,2V), aby dost silně pokleslo, když dojde k vybití.

 
Obr. 1. Vybíjecí charakteristika akumulátorů NiCd, NiMH a Li-Ion

Kontrola stavu vybití těchto akumulátorů by vyžadovala použití poměrně obtížně realizovatelných měřičů (a z tohoto důvodu velmi zřídka stavěných), které by měřily náboj dodávaný do článku během nabíjení a odváděný během jeho používání.

Uživatelé všech typů akumulátorů musejí počítat se samovybíjením, čili snižováním napětí nezatíženého článku v průběhu času. Je mnohem menší u Li-Ion akumulátorů než u NiCd a NiMH. Dolní mezní hodnota napětí článků Li-Ion, kterou není dovoleno překročit, je rovna 2,4V. Typická hodnota pro používání je do 3V. Hluboké vybití může vést k neodvratnému poškození akumulátoru. Podobně to je i s přebíjením. Překročení mezní hodnoty napětí o 10...15% může rovněž být příčinou neodvratného poškození článku a v nejlepším případě ztráty kapacity.

Ochranné prvky nedovolují větší nabití než 4,2V na článek. U starších typů docházelo dokonce k hrozivým výbuchům. V současné době vyráběné akumulátory jsou vybaveny účinnou ochranou před takovými událostmi. Ochranné obvody bohužel vnášejí dodatečný sériový odpor řádu 30-100mΩ.

Z ohledu na péči o akumulátory je doporučeno používat nabíječky určené pro konkrétní typy článků.

Akumulátory Li-Ion řady CGR18650 v nabídce TME
Příkladem moderních Li-Ion akumulátorů je řada CGR18650 firmy Panasonic. Tyto akumulátory nabízí TME v podobě jednotlivých článků s elektronickou ochranou (Obr. 2) a akupaků skládajících se z několika kusů (Obr. 3).

Obr. 2. Konstrukce jednoho článku Li-Ion řady CGR18650

Standardní konfigurace byly zvoleny s ohledem na typické potřeby uživatelů, zohledňující jmenovité napětí, kapacitu a maximální proud. Podružným parametrem jsou rozměry akupaků. Konfigurace dostupné ve standardní nabídce jsou uvedeny v Tab. 1.

Tab. 1. Konfigurace paků Li-Ion řady CGR18650

Akupaky obsahují 1 až 16 článků. Firma TME vychází vstříc potřebám zákazníků a realizuje rovněž objednávky na libovolné akupaky, vyrobené podle zadání uživatelů.

Obr. 3. Konstrukce akupaku 16 článků Li-Ion řady CGR18650

Akumulátory řady CGR18650 se vyznačují poměrně velkou kapacitou a malou hmotností. Díky zkušenostem výrobce - firmy Panasonic - bylo dosaženo velké životnosti článků. Speciální elektronický obvod v každém akumulátoru zaručuje natolik správné a bezpečné využívání akupaků, nakolik je to možné při současném stavu techniky, chrání je před přebíjením a zároveň nepřipustí nadměrné vybíjení. To samozřejmě nezbavuje uživatele nutnosti péče o akumulátory v potřebném rozsahu. Týká se to hlavně podmínek skladování, nejlépe při snížené teplotě, a periodické kontroly stavu akupaků.

Andrzej Gawryluk

Ukázka z časopisu Elektrotechnika v praxi 5-6/2011

Celoroční předplatné časopisu Elektrotechnika v praxi si můžete objednat níže přiloženým formulářem!