Tudo que você precisa saber sobre li

A menos que Tony Stark invente o reator Arc ou a pesquisa em Satélites de Energia Solar (SPS) para transferência de energia sem fio, nós humanos temos que depender de baterias para alimentar nossos dispositivos eletrônicos portáteis ou remotos. O tipo mais comum de bateria recarregável que você encontra em produtos eletrônicos de consumo é de íon de lítio ou do tipo polímero de lítio. Neste artigo, nosso interesse será sobre as baterias de íon-lítio, uma vez que tendem a ser mais úteis do que todos os outros tipos. Seja um pequeno banco de energia ou um laptop ou algo tão grande quanto o novo Modelo 3 do Tesla, tudo está sendo alimentado por uma bateria de íon de lítio.

O que torna essas baterias especiais? O que você deve saber sobre ele antes de usar um em seus projetos / designs? Como você carregará ou descarregará essas baterias com segurança? Se você está curioso para saber as respostas para todas essas perguntas, então encontrou o artigo certo, apenas relaxe e leia enquanto tentarei mantê-lo o mais interessante possível.

Histórico da bateria de íon-lítio

A ideia da bateria de íon de lítio foi cunhada pela primeira vez por GN Lewis em 1912, mas tornou-se viável apenas no ano de 1970 e a primeira bateria de lítio não recarregável foi colocada no mercado comercial. Mais tarde, na década de 1980, os engenheiros tentaram fazer a primeira bateria recarregável usando lítio como material do ânodo e tiveram sucesso parcial. Eles não perceberam que esses tipos de baterias de lítio eram instáveis ​​durante o processo de carregamento e criariam um curto dentro da bateria, aumentando a temperatura e causando uma fuga térmica.

Em 1991, uma bateria de lítio usada em celulares explodiu no rosto de um homem no Japão. Somente após esse incidente, percebeu-se que as baterias de íon-lítio devem ser manuseadas com extrema cautela. Um grande número desses tipos de baterias que estavam no mercado foram então recolhidos pelos fabricantes por questões de segurança. Mais tarde, após muita pesquisa, a Sony apresentou as baterias de íon de lítio avançadas com uma nova química que está sendo usada até agora. Vamos encerrar as lições de história aqui e dar uma olhada na química de uma bateria de íon de lítio.

Química da bateria de íon-lítio e funcionamento

Como o nome obviamente indica, as baterias de íon de lítio usam os íons de lítio para fazer o trabalho. O lítio é um metal muito leve com alta densidade de energia. Essa propriedade permite que a bateria seja leve e forneça alta corrente com um fator de forma pequeno. Densidade de energia é a quantidade de energia que pode ser armazenada por unidade de volume da bateria. Quanto maior a densidade de energia, menor será a bateria. Apesar das propriedades esmagadoras do metal de lítio, ele não pode ser usado como um eletrodo diretamente nas baterias, pois o lítio é altamente instável devido à sua natureza metálica. Portanto, usamos íons de lítio que têm mais ou menos as mesmas propriedades de um metal de lítio, mas não são metálicos e são comparativamente mais seguros de usar.

Normalmente o ânodo de uma bateria de lítio é feito de carbono e o cátodo da bateria é feito de óxido de cobalto ou algum outro óxido de metal. O eletrólito usado para conectar esses dois eletrodos será uma solução simples de sal que contém íons de lítio. Ao descarregar os íons de lítio carregados positivamente, mova-se em direção ao cátodo e bombardeie-o até que fique com carga positiva. Agora, como o cátodo está carregado positivamente, ele atrai elétrons carregados negativamente em sua direção. Esses elétrons são feitos para fluir através de nosso circuito, alimentando o circuito.

Da mesma forma, durante o carregamento, acontece exatamente o oposto. Os elétrons das cargas fluem para a bateria e, portanto, os íons de lítio se movem em direção ao ânodo, fazendo com que o cátodo perca sua carga positiva.

Introdução às baterias de íon de lítio

Chega de teoria sobre baterias de íon de lítio, agora vamos praticamente conhecer essas células para que possamos ter certeza sobre elas para usá-las em nossos projetos. A bateria de íon de lítio mais comumente usada é a 18650 Cells, portanto, discutiremos sobre a mesma neste artigo. Uma célula 18650 típica é mostrada na imagem abaixo

Como todas as baterias, a bateria de íons de lítio também tem uma classificação de voltagem e capacidade. A classificação de tensão nominal para todas as células de lítio será 3,6 V, então você precisa de uma especificação de voltagem mais alta, você precisa combinar duas ou mais células em série para alcançá-la. Por padrão, todas as células de íon de lítio terão uma voltagem nominal de apenas ~ 3,6V. Esta tensão pode descer até 3,2 V quando totalmente descarregada e chegar a 4,2 V quando totalmente carregada. Lembre-se sempre de que descarregar a bateria abaixo de 3,2 V ou carregá-la acima de 4,2 V danificará a bateria permanentemente e também pode se tornar uma receita para fogos de artifício. Vamos detalhar as terminologias envolvidas em uma bateria 18650 para que possamos entender melhor. Lembre-se de que essas explicações se aplicam apenas a uma única célula 18650, vamos entrar mais em baterias de íon-lítio posteriormente, onde mais de uma célula é conectada em série ou em paralelo para obter classificações de tensão e corrente muito mais altas.

Tensão nominal: A tensão nominal é a classificação de tensão real de uma célula 18650. Por padrão, é 3,6 V e permanecerá o mesmo para todas as 18.650 células, apesar de seus fabricantes.

Tensão de descarga total: uma célula 18650 nunca deve descarregar abaixo de 3,2 V, não fazer isso irá alterar a resistência interna da bateria, o que irá danificar a bateria permanentemente e também pode levar à explosão

Tensão de carga total: A tensão de carga para a célula de íon de lítio é 4.2V. Deve-se ter cuidado para que a tensão da célula não aumente 4,2 V em nenhum momento.

Classificação mAh: A capacidade de uma célula é normalmente dada em termos de classificação mAh (Milli Ampere hora). Este valor varia de acordo com o tipo de célula que você comprou. Por exemplo, vamos supor que nossa célula aqui seja de 2000mAh, que não é nada além de 2Ah (Ampère / hora). Isso significa que se consumirmos 2A dessa bateria, ela durará 1 hora e, da mesma forma, se retirarmos 1A dessa bateria, ela durará 2 horas. Portanto, se você quiser saber por quanto tempo a bateria irá alimentar seu projeto (tempo de execução), você deve calculá-lo usando a classificação mAh.

Tempo de execução (em horas) = ​​Desenhada atual / Classificação de mAh

Onde, a corrente consumida deve estar dentro do limite de classificação C.

Classificação C: Se você já se perguntou qual é a quantidade máxima de corrente que você pode tirar de uma bateria, então sua resposta pode ser obtida a partir da classificação C da bateria. A classificação C da bateria muda novamente para cada bateria, vamos assumir que a bateria que temos é uma bateria de 2Ah com classificação 3C. O valor 3C significa que a bateria pode produzir 3 vezes a classificação Ah nominal como sua corrente máxima. Neste caso, pode fornecer até 6A (3 * 2 = 6) como corrente máxima. Normalmente 18.650 células têm apenas uma classificação 1C.

Corrente máxima extraída da bateria = Classificação C * Classificação Ah

Corrente de carga: Outra especificação importante de uma bateria a ser observada é a corrente de carga. Só porque uma bateria pode fornecer uma corrente máxima de 6A não significa que ela pode ser carregada com 6A. A corrente máxima de carga de uma bateria será mencionada na folha de dados da bateria, pois varia de acordo com a bateria. Normalmente será 0,5C, o que significa metade do valor da classificação Ah. Para uma bateria com classificação de 2Ah, a corrente de carga será 1A (0,5 * 2 = 1).

Tempo de carregamento: O tempo mínimo de carregamento necessário para uma única célula 18650 carregar pode ser calculado usando o valor da corrente de carga e a classificação Ah da bateria. Por exemplo, uma bateria de 2Ah carregando com 1A de corrente levará aproximadamente 2 horas para carregar, assumindo que o carregador use apenas o método CC para carregar a célula.

Resistência interna (IR): a integridade e a capacidade de uma bateria podem ser previstas medindo-se a resistência interna da bateria. Isso nada mais é do que o valor da resistência entre os terminais ânodo (positivo) e cátodo (negativo) da bateria. O valor típico de IR de uma célula será mencionado na folha de dados. Quanto mais se desviar do valor real, menos eficiente será a bateria. O valor de IR para uma célula de 18650 estará na faixa de mili ohms e existem instrumentos dedicados para medir o valor de IR.

Métodos de carregamento: Existem muitos métodos que são praticados para carregar uma célula de íon-lítio. Mas o mais comumente usado é a topologia de 3 etapas. As três etapas são CC, CV e carregamento lento. No modo CC (corrente constante), a célula é carregada com uma corrente de carga constante variando a tensão de entrada. Este modo estará ativo até que a bateria seja carregada até um certo nível, então o CV (tensão constante)o modo começa onde a tensão de carga é mantida normalmente em 4,2V. O modo final é o carregamento de pulso ou de carga lenta, onde pequenos pulsos de corrente são passados ​​para a bateria para melhorar o ciclo de vida da bateria. Existem também carregadores muito mais complexos envolvendo 7 etapas de carregamento. Não nos aprofundaremos muito neste tópico, pois está muito fora do escopo deste artigo. Mas se você estiver interessado em saber a menção na seção de comentários e permita, vou escrever um artigo separado sobre o carregamento das células de íons de lítio.

Estado de carga (SOC)%: O estado de carga nada mais é do que a capacidade da bateria, semelhante às mostradas em nosso telefone celular. A capacidade de uma bateria não pode ser calculada com clareza com sua válvula de tensão; normalmente, ela é calculada usando a integração de corrente para determinar a mudança na capacidade da bateria ao longo do tempo.

Depth Of Discharge (DOD)%: O quanto a bateria pode ser descarregada é fornecido pelo DOD. Nenhuma bateria terá 100% de descarga pois, como sabemos, danificará a bateria. Normalmente, uma profundidade de descarga de 80% é definida para todas as baterias.

Dimensão da célula: Outra característica única e interessante da célula 18650 é sua dimensão. Cada célula terá um diâmetro de 18 mm e uma altura de 650 mm, o que faz com que essa célula receba o nome de 18650.

Se você quiser mais definições de terminologia, consulte a documentação de terminologias da bateria do MIT, onde com certeza encontrará mais parâmetros técnicos relacionados a uma bateria.

Maneira mais fácil de usar uma célula 18650

Se você é um novato completo e está apenas começando com 18650 células para alimentar seu projeto, a maneira mais fácil seria usar módulos prontos que podem carregar e descarregar com segurança as células 18650. Apenas esse módulo é o módulo TP4056, que pode lidar com uma única célula 18650.

Se seu projeto requer mais de 3,6 V como tensão de entrada, você pode querer combinar duas células 18650 em série para obter uma tensão de 7,4 V. Nesse caso, use um módulo como o módulo de bateria de íon-lítio 2S 3A deve ser útil para carregar e descarregar as baterias com segurança.

Para combinar duas ou mais células 18650, não podemos usar a técnica de solda convencional para fazer a conexão entre as duas, em vez disso, um processo chamado soldagem por pontos é usado. Além disso, ao combinar 18.650 células em série ou em paralelo, mais cuidado deve ser tomado, o que é discutido no parágrafo seguinte.

Pacote de bateria de íon-lítio (células em série e paralelas)

Para alimentar pequenos aparelhos eletrônicos portáteis ou pequenos dispositivos, uma única célula 18650 ou no máximo um par deles em série bastaria. Neste tipo de aplicação a complexidade é menor, pois o número de baterias envolvidas é menor. Mas para aplicações maiores, como um Ciclo / Ciclomotor Elétrico ou carros Tesla, precisaremos conectar muitas dessas células em série e paralelamente para atingir a tensão de saída e capacidade desejadas. Por exemplo, o carro Tesla contém mais de 6.800 células de lítio, cada uma com classificação de 3,7 V e 3,1 Ah. A foto abaixo mostra como ele está disposto dentro do chassi do carro.

Com todo esse número de células para monitorar, precisamos de um circuito dedicado que possa carregar, monitorar e descarregar essas células com segurança. Este sistema dedicado é chamado de Sistema de monitoramento de bateria (BMS). O trabalho do BMS é monitorar a voltagem de cada célula de íon de lítio e também verificar sua temperatura. Além disso, alguns BMS também monitoram a corrente de carga e descarga do sistema.

Ao combinar mais de duas células para formar um pacote, deve-se tomar cuidado para que elas tenham a mesma química, voltagem, classificação Ah e resistência interna. Além disso, enquanto carrega as células, o BMS garante que elas sejam carregadas e descarregadas uniformemente, de modo que, a qualquer momento, todas as baterias mantenham a mesma voltagem, isso é chamado de Balanceamento de Célula. Além disso, o designer também precisa se preocupar com o resfriamento dessas baterias durante o carregamento e descarregamento, pois elas não respondem bem durante altas temperaturas.

Espero que este artigo tenha fornecido detalhes suficientes para que você fique um pouco confiante com as células de íons de lítio. Se você tiver alguma dúvida específica, fique à vontade para deixar o na seção de comentários e tentarei o meu melhor para responder de volta. Até então feliz mexer.