La batteria è l'elettronica più importante del tuo hardware. Ma come assicurarti di scegliere la batteria agli ioni di litio personalizzata adatta al tuo hardware?
Questo articolo include due parti per dimostrare la domanda. La parte 1 illustra le considerazioni importanti quando si seleziona la batteria giusta per un'applicazione consumer. Questi includono ricaricabilità, densità di energia, densità di potenza, durata di conservazione, sicurezza, fattore di forma, costo e flessibilità. La parte 2 esaminerà il modo in cui la chimica influisce su importanti parametri della batteria e quindi sulla selezione della batteria per la tua applicazione. Nella parte 3 esamineremo le caratteristiche chimiche comuni delle batterie secondarie.
ALCUNE CONSIDERAZIONI IMPORTANTI NELLA SELEZIONE DELLA BATTERIA SONO:
1. Primaria o secondaria: una delle prime scelte nella selezione della batteria è decidere se l'applicazione richiede batterie primarie (monouso) o secondarie (ricaricabili). Nella maggior parte dei casi, questa è una decisione facile per il progettista. Le applicazioni con uso intermittente occasionale (come un rilevatore di fumo, un giocattolo o una torcia elettrica) e le applicazioni usa e getta in cui la ricarica diventa impraticabile garantiscono l'uso di una batteria primaria. Gli apparecchi acustici, gli orologi (un'eccezione sono gli smartwatch), i biglietti di auguri e i pacemaker sono buoni esempi. Se la batteria deve essere utilizzata in modo continuativo e per lunghi periodi di tempo, come ad esempio in un laptop, un cellulare o uno smartwatch, è più adatta una batteria ricaricabile.
Le batterie primarie hanno un tasso di autoscarica molto più basso: una caratteristica interessante quando la ricarica non è possibile o pratica prima del primo utilizzo. Le batterie secondarie tendono a perdere energia a un ritmo più elevato. Questo è meno importante nella maggior parte delle applicazioni a causa della capacità di ricaricarsi.
2. Energia contro potenza: l'autonomia di una batteria è determinata dalla capacità della batteria espressa in mAh o Ah ed è la corrente di scarica che una batteria può fornire nel tempo.
Quando si confrontano batterie con chimica diversa, è utile considerare il contenuto energetico. Per ottenere il contenuto energetico di una batteria, moltiplicare la capacità della batteria in Ah per la tensione per ottenere l'energia in Wh. Ad esempio, una batteria al nichel-metallo idruro da 1,2 V e una batteria agli ioni di litio da 3,2 V potrebbero avere la stessa capacità, ma la tensione più elevata degli ioni di litio aumenterebbe l'energia.
La tensione a circuito aperto è comunemente utilizzata nei calcoli energetici (ad esempio la tensione della batteria quando non è collegata a un carico). Tuttavia, sia la capacità che l’energia dipendono fortemente dalla velocità di drenaggio. La capacità teorica è dettata solo dai materiali attivi dell'elettrodo (chimica) e dalla massa attiva. Tuttavia, le batterie pratiche raggiungono solo una frazione dei numeri teorici a causa della presenza di materiali inattivi e di limitazioni cinetiche, che impediscono il pieno utilizzo dei materiali attivi e l’accumulo di prodotti di scarica sugli elettrodi.
I produttori di batterie spesso specificano la capacità con una determinata velocità di scarica, temperatura e tensione di interruzione. La capacità specificata dipenderà da tutti e tre i fattori. Quando confronti le valutazioni di capacità del produttore, assicurati di guardare in particolare le velocità di drenaggio. Una batteria che sembra avere una capacità elevata su una scheda tecnica potrebbe in realtà funzionare male se il consumo di corrente per l'applicazione è maggiore. Ad esempio, una batteria da 2 Ah per una scarica di 20 ore non può fornire 2 A per 1 ora, ma fornirà solo una frazione della capacità.
Le batterie ad alta potenza forniscono una capacità di scarica rapida a velocità di scarico elevate, come negli utensili elettrici o nelle applicazioni con batterie di avviamento per automobili. In genere, le batterie ad alta potenza hanno una bassa densità di energia.
Una buona analogia tra potenza ed energia è pensare a un secchio con un beccuccio. Un secchio più grande può contenere più acqua ed è simile a una batteria ad alta energia. La dimensione dell'apertura o del beccuccio da cui l'acqua esce dal secchio è simile alla potenza: maggiore è la potenza, maggiore è la velocità di scarico. Per aumentare l'energia, in genere si aumenta la dimensione della batteria (per una determinata chimica), ma per aumentare la potenza si diminuisce la resistenza interna. La costruzione delle celle gioca un ruolo importante nell'ottenimento di batterie ad alta densità di potenza.
Dovresti essere in grado di confrontare le densità di energia teoriche e pratiche per diverse sostanze chimiche dai libri di testo sulle batterie. Tuttavia, poiché la densità di potenza dipende fortemente dalla struttura della batteria, raramente troverete elencati questi valori.
3. Voltaggio – Il voltaggio operativo della batteria è un'altra considerazione importante ed è dettato dai materiali degli elettrodi utilizzati. Un'utile classificazione delle batterie in questo caso è quella di considerare le batterie acquose o a base di acqua rispetto ai prodotti chimici a base di litio. Piombo acido, zinco carbonio e nichel metallo idruro utilizzano tutti elettroliti a base di acqua e hanno tensioni nominali comprese tra 1,2 e 2 V. Le batterie a base di litio, invece, utilizzano elettroliti organici e hanno tensioni nominali comprese tra 3,2 e 4 V (sia primarie che primarie). secondario).
Molti componenti elettronici funzionano a una tensione minima di 3 V. La tensione operativa più elevata dei prodotti chimici a base di litio consente di utilizzare una singola cella anziché due o tre celle a base acquosa in serie per ottenere la tensione desiderata.
Un'altra cosa da notare è che alcune caratteristiche chimiche delle batterie, come lo zinco MnO2, hanno una curva di scarica inclinata, mentre altre hanno un profilo piatto. Ciò influenza la tensione di interruzione (Fig 3).
Figura 3: grafico della tensione basato sulla chimica della batteria
VTC Batteria con tracciamento della tensione di alimentazione sulla chimica
4. Intervallo di temperatura – La chimica della batteria determina l'intervallo di temperatura dell'applicazione. Ad esempio, le celle zinco-carbone a base di elettrolita acquoso non possono essere utilizzate al di sotto di 0°C. Anche le celle alcaline mostrano un forte calo di capacità a queste temperature, sebbene inferiore a quello dello zinco-carbone. Le batterie primarie al litio con elettrolita organico possono funzionare fino a -40°C ma con un notevole calo di prestazioni.
Nelle applicazioni ricaricabili, le batterie agli ioni di litio possono essere caricate alla velocità massima solo entro una finestra ristretta compresa tra circa 20° e 45°C. Oltre questo intervallo di temperature è necessario utilizzare correnti/tensioni inferiori, con conseguenti tempi di ricarica più lunghi. A temperature inferiori a 5° o 10°C, potrebbe essere necessaria una carica di mantenimento per prevenire il temuto problema della placcatura dendritica del litio, che aumenta il rischio di fuga termica (abbiamo tutti sentito parlare di esplosione di batterie a base di litio che potrebbe verificarsi come risultato di sovraccarico, carica a bassa o alta temperatura o cortocircuito dovuto a contaminanti).
ALTRE CONSIDERAZIONI INCLUDONO:
5. Durata di conservazione: si riferisce al tempo in cui una batteria rimarrà in un magazzino o su uno scaffale prima di essere utilizzata. Le batterie primarie hanno una durata di conservazione molto più lunga rispetto a quelle secondarie. Tuttavia, la durata di conservazione è generalmente più importante per le batterie primarie perché le batterie secondarie hanno la capacità di essere ricaricate. Un'eccezione è quando la ricarica non è pratica.
6. Chimica – Molte delle proprietà sopra elencate sono dettate dalla chimica cellulare. Discuteremo le sostanze chimiche delle batterie comunemente disponibili nella prossima parte di questa serie di blog.
7. Dimensioni fisiche e forma – Le batterie sono generalmente disponibili nei seguenti formati: celle a bottone/moneta, celle cilindriche, celle prismatiche e celle a sacchetto (la maggior parte di esse in formati standardizzati).
8. Costo: a volte potrebbe essere necessario rinunciare a una batteria con caratteristiche prestazionali migliori perché l'applicazione è molto sensibile ai costi. Ciò è particolarmente vero per le applicazioni monouso ad alto volume.
9. Norme sul trasporto e sullo smaltimento – Il trasporto delle batterie al litio è regolamentato. Anche lo smaltimento di alcuni prodotti chimici delle batterie è regolamentato. Questa potrebbe essere una considerazione per le applicazioni ad alto volume.
10. Sicurezza della batteria al litio del produttore. Alcuni produttori non hanno effettuato alcun test di sicurezza e affidabilità prima della produzione di massa. Ciò rappresenta un grande pericolo nell'applicazione finale.
Ci sono molte considerazioni da fare quando si sceglie una batteria. Molti di questi sono legati alla chimica, mentre altri sono legati alla progettazione, alla costruzione e alla capacità del produttore della batteria. Scegliere il produttore di batterie agli ioni di litio più esperto è il più importante. VTC Power Co., Ltd è specializzata nella produzione di batterie agli ioni di litio da 20 anni e dai la proposta migliore per te!
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