- ประวัติแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
- Li-ion แบตเตอรี่เคมีและการทำงาน
- ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
- วิธีที่ง่ายที่สุดในการใช้เซลล์ 18650
- ชุดแบตเตอรี่ Li-ion (เซลล์ในอนุกรมและขนาน)
เว้นแต่ Tony Stark บางคนจะก้าวเข้ามาและประดิษฐ์เครื่องปฏิกรณ์ Arc หรืองานวิจัยใน Solar Power Satellites (SPS) สำหรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายมนุษย์เราต้องพึ่งพาแบตเตอรี่สำหรับการเปิดเครื่องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาหรือระยะไกลของเรา แบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ที่พบบ่อยที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คือลิเธียมไอออนหรือลิเธียมโพลิเมอร์ ในบทความนี้ความสนใจของเราจะอยู่ที่แบตเตอรี่ Li-ion เนื่องจากมีแนวโน้มที่จะมีประโยชน์มากกว่าประเภทอื่น ๆ ทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นธนาคารพลังงานขนาดเล็กหรือแล็ปท็อปหรือสิ่งที่ใหญ่พอ ๆ กับรุ่น 3 ใหม่ของ Tesla ทุกอย่างใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
อะไรทำให้แบตเตอรี่เหล่านี้มีความพิเศษ คุณควรรู้อะไรก่อนที่จะใช้ในโครงการ / การออกแบบของคุณ? คุณจะชาร์จหรือคายแบตเตอรี่เหล่านี้อย่างปลอดภัยได้อย่างไร? หากคุณอยากรู้คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ทั้งหมดแสดงว่าคุณได้อ่านบทความที่ถูกต้องแล้วเพียงแค่นั่งอ่านในขณะที่ฉันจะพยายามทำให้สิ่งนี้น่าสนใจที่สุด
ประวัติแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
ความคิดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับการประกาศเกียรติคุณเป็นครั้งแรกโดย GN Lewis ในปี 1912 แต่มันสามารถทำได้ในปี 1970 เท่านั้นและแบตเตอรี่ลิเธียมที่ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้เป็นครั้งแรกในตลาดเชิงพาณิชย์ ต่อมาในปี 1980 วิศวกรของปี 1980 ได้พยายามสร้างแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ก้อนแรกโดยใช้ลิเธียมเป็นวัสดุขั้วบวกและประสบความสำเร็จบางส่วน พวกเขาไม่สังเกตเห็นว่าแบตเตอรี่ลิเธียมประเภทนี้ไม่เสถียรในระหว่างกระบวนการชาร์จและจะทำให้เกิดการลัดวงจรภายในแบตเตอรี่ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นและทำให้เกิดการระบายความร้อน
ในปี 1991 แบตเตอรี่ลิเธียมชนิดหนึ่งที่ใช้ในมือถือระเบิดใส่ใบหน้าของชายคนหนึ่งในญี่ปุ่น หลังจากเหตุการณ์นี้ทราบว่าควรใช้แบตเตอรี่ Li-ion ด้วยความระมัดระวังเป็นอย่างยิ่ง ผู้ผลิตเรียกคืนแบตเตอรี่ประเภทนี้จำนวนมากที่เข้าสู่ตลาดเนื่องจากปัญหาด้านความปลอดภัย ต่อมาหลังจากการวิจัยมากมาย Sony ได้เปิดตัวแบตเตอรี่ Li-ion ขั้นสูงที่มีคุณสมบัติทางเคมีแบบใหม่ที่ใช้จนถึงปัจจุบัน มาอ่านบทเรียนประวัติศาสตร์กันที่นี่และดูเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
Li-ion แบตเตอรี่เคมีและการทำงาน
ตามชื่อที่ระบุไว้อย่างชัดเจนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใช้ลิเธียมไอออนเพื่อให้งานสำเร็จลุล่วง ลิเธียมเป็นโลหะที่เบามากและมีความหนาแน่นของพลังงานสูงคุณสมบัตินี้ทำให้แบตเตอรี่มีน้ำหนักเบาและให้กระแสไฟฟ้าสูงด้วยรูปแบบขนาดเล็ก ความหนาแน่นของพลังงานคือปริมาณพลังงานที่สามารถเก็บไว้ในหน่วยปริมาตรของแบตเตอรี่ยิ่งความหนาแน่นของพลังงานสูงเท่าใดแบตเตอรี่ก็จะมีขนาดเล็กลงเท่านั้น แม้จะมีคุณสมบัติมากมายของโลหะลิเธียม แต่ก็ไม่สามารถใช้เป็นอิเล็กโทรดในแบตเตอรี่ได้โดยตรงเนื่องจากลิเธียมมีความไม่เสถียรสูงเนื่องจากลักษณะของโลหะ ดังนั้นเราจึงใช้ลิเธียมไอออนซึ่งมีคุณสมบัติเหมือนโลหะลิเธียมมากหรือน้อย แต่เป็นอโลหะและค่อนข้างปลอดภัยกว่าที่จะใช้
โดยปกติแอโนดของแบตเตอรี่ลิเธียมทำจากคาร์บอนและแคโทดของแบตเตอรี่ทำโดยใช้โคบอลต์ออกไซด์หรือโลหะออกไซด์อื่น ๆ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้เชื่อมต่ออิเล็กโทรดทั้งสองนี้จะเป็นสารละลายเกลือธรรมดาที่มีลิเธียมไอออน เมื่อปล่อยไอออนลิเธียมที่มีประจุบวกจะเคลื่อนที่ไปทางแคโทดและทิ้งระเบิดจนกลายเป็นประจุบวก ตอนนี้เนื่องจากแคโทดมีประจุบวกจึงดึงดูดอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเข้าหามัน อิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกสร้างให้ไหลผ่านวงจรของเราจึงเปิดวงจร
ในทำนองเดียวกันในขณะชาร์จสิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้น อิเล็กตรอนจากประจุจะไหลเข้าสู่แบตเตอรี่และด้วยเหตุนี้ไอออนลิเธียมจึงเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวกทำให้แคโทดสูญเสียประจุบวก
ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
มีทฤษฎีเพียงพอเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตอนนี้เรามาทำความรู้จักกับเซลล์เหล่านี้กันเถอะเพื่อที่เราจะได้มั่นใจในการใช้งานในโครงการของเรา แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้กันมากที่สุดคือ 18650 Cells ดังนั้นจะกล่าวถึงเรื่องเดียวกันในบทความนี้ เซลล์ 18650ทั่วไปแสดงในภาพด้านล่าง
เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ทั้งหมดแบตเตอรี่ Li-ion ยังมีระดับแรงดันไฟฟ้าและความจุ พิกัดแรงดันไฟฟ้าที่ระบุสำหรับเซลล์ลิเธียมทั้งหมดจะอยู่ที่3.6Vดังนั้นคุณต้องมีข้อกำหนดเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นคุณต้องรวมเซลล์สองเซลล์ขึ้นไปเป็นชุดเพื่อให้ได้มา โดยค่าเริ่มต้นเซลล์ลิเธียมไอออนทั้งหมดจะมีแรงดันไฟฟ้าเพียง ~ 3.6V แรงดันไฟฟ้านี้สามารถลดลงได้ไม่เกิน 3.2V เมื่อปล่อยประจุจนเต็มและสูงถึง 4.2V เมื่อชาร์จเต็ม โปรดจำไว้เสมอว่าการปล่อยแบตเตอรี่ที่ต่ำกว่า 3.2V หรือการชาร์จที่สูงกว่า 4.2V จะทำให้แบตเตอรี่เสียหายอย่างถาวรและอาจกลายเป็นสูตรสำหรับดอกไม้ไฟ ให้รายละเอียดคำศัพท์ที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ 18650 เพื่อให้เราเข้าใจได้ดีขึ้น โปรดทราบว่าคำอธิบายเหล่านี้ใช้ได้กับเซลล์ 18650 เดียวเท่านั้นเราจะได้รับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับชุดแบตเตอรี่ Li-ion ในภายหลังซึ่งมีการเชื่อมต่อมากกว่าหนึ่งเซลล์ในอนุกรมหรือขนานเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นมาก
แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด: แรงดันไฟฟ้าที่ระบุคือระดับแรงดันไฟฟ้าจริงของเซลล์ 18650 โดยค่าเริ่มต้นคือ 3.6V และจะยังคงเหมือนเดิมสำหรับเซลล์ 18650 ทั้งหมดแม้ว่าจะมีผู้ผลิตก็ตาม
แรงดันไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาเต็ม: ไม่ควรปล่อยให้เซลล์ 18650 ปล่อยต่ำกว่า 3.2V การไม่ทำเช่นนั้นจะทำให้ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่เปลี่ยนไปซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่เสียหายอย่างถาวรและอาจทำให้เกิดการระเบิดได้
แรงดันไฟฟ้าที่ชาร์จเต็ม: แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จสำหรับเซลล์ลิเธียมไอออนคือ 4.2V ควรใช้ความระมัดระวังไม่ให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์เพิ่มขึ้น 4.2V ในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง
คะแนน mAh:โดยปกติแล้วความจุของเซลล์จะได้รับในรูปแบบของ mAh (มิลลิแอมป์ชั่วโมง) ค่านี้จะแตกต่างกันไปตามประเภทของเซลล์ที่คุณซื้อ ตัวอย่างเช่นสมมติว่าเซลล์ของเราที่นี่คือ 2000mAh ซึ่งไม่มีอะไรเลยนอกจาก 2Ah (แอมแปร์ / ชั่วโมง) ซึ่งหมายความว่าถ้าเราดึง 2A จากแบตเตอรี่นี้มันจะอยู่ได้ 1 ชั่วโมงและในทำนองเดียวกันถ้าเราดึง 1A จากแบตเตอรี่นี้มันจะอยู่ได้ 2 ชั่วโมง ดังนั้นหากคุณต้องการทราบว่าแบตเตอรี่จะใช้งานได้นานเท่าใด (Run-time) คุณต้องคำนวณโดยใช้คะแนน mAh
เวลาทำงาน (เป็นชั่วโมง) = พิกัดกระแส / mAh
โดยที่วาดปัจจุบันควรอยู่ภายในขีด จำกัด การจัดอันดับ C
คะแนน C:หากคุณเคยสงสัยว่าปริมาณกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่คุณสามารถดึงออกมาจากแบตเตอรี่คือเท่าใดคำตอบของคุณจะได้รับจากระดับ C ของแบตเตอรี่ ระดับ C ของแบตเตอรี่จะเปลี่ยนไปอีกครั้งสำหรับแบตเตอรี่แต่ละก้อนสมมติว่าแบตเตอรี่ที่เรามีเป็นแบตเตอรี่ขนาด 2Ah ที่มีระดับ 3C ค่า 3C หมายความว่าแบตเตอรี่สามารถส่งออกได้ 3 เท่าของพิกัด Ah ที่เป็นกระแสไฟฟ้าสูงสุด ในกรณีนี้สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าสูงสุดได้ถึง 6A (3 * 2 = 6) โดยปกติเซลล์ 18650 จะมีคะแนน 1C เท่านั้น
กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ดึงมาจากแบตเตอรี่ = คะแนน C * คะแนน Ah
กระแสไฟชาร์จ: คุณสมบัติที่สำคัญอีกอย่างของแบตเตอรี่ที่ต้องสังเกตคือกระแสไฟชาร์จ เพียงเพราะแบตเตอรี่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้สูงสุด 6A ไม่ได้หมายความว่าสามารถชาร์จด้วย 6A ได้ กระแสไฟชาร์จสูงสุดของแบตเตอรี่จะกล่าวถึงในเอกสารข้อมูลของแบตเตอรี่เนื่องจากจะแตกต่างกันไปตามแบตเตอรี่ โดยปกติจะเป็น 0.5C ซึ่งหมายถึงครึ่งหนึ่งของค่าคะแนน Ah สำหรับแบตเตอรี่ขนาด 2Ah กระแสไฟในการชาร์จจะเป็น 1A (0.5 * 2 = 1)
เวลาในการชาร์จ: เวลาในการชาร์จขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับเซลล์ 18650 เดียวในการชาร์จสามารถคำนวณได้โดยใช้ค่าของกระแสประจุและระดับ Ah ของแบตเตอรี่ ตัวอย่างเช่นการชาร์จแบตเตอรี่ 2Ah ด้วยกระแสชาร์จ 1A จะใช้เวลาชาร์จประมาณ 2 ชั่วโมงโดยสมมติว่าเครื่องชาร์จใช้วิธี CC ในการชาร์จเซลล์เท่านั้น
ความต้านทานภายใน (IR):สุขภาพและความจุของแบตเตอรี่สามารถทำนายได้โดยการวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ นี่ไม่ใช่อะไรนอกจากค่าความต้านทานระหว่างขั้วแอโนด (ขั้วบวก) และขั้วแคโทด (ขั้วลบ) ของแบตเตอรี่ ค่าทั่วไปของ IR ของเซลล์จะถูกกล่าวถึงในแผ่นข้อมูล ยิ่งห่างจากค่าจริงมากเท่าใดแบตเตอรี่ก็จะมีประสิทธิภาพน้อยลงเท่านั้น ค่า IR สำหรับเซลล์ 18650 จะอยู่ในช่วงมิลลิโอห์มและมีเครื่องมือเฉพาะสำหรับวัดค่า IR
วิธีการชาร์จ:มีหลายวิธีที่ใช้ในการชาร์จเซลล์ Li-ion แต่ที่นิยมใช้มากที่สุดคือโทโพโลยี 3 ขั้นตอน สามขั้นตอนคือ CC, CV และการชาร์จแบบหยด ในโหมดCC (กระแสคงที่)เซลล์จะถูกชาร์จด้วยกระแสชาร์จคงที่โดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าขาเข้า โหมดนี้จะทำงานจนกว่าแบตเตอรี่จะชาร์จถึงระดับหนึ่งจากนั้นCV (แรงดันไฟฟ้าคงที่)โหมดเริ่มต้นโดยที่แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จมักจะอยู่ที่ 4.2V โหมดสุดท้ายคือการชาร์จแบบพัลส์หรือการชาร์จแบบหยดซึ่งกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กจะถูกส่งผ่านไปยังแบตเตอรี่เพื่อปรับปรุงวงจรชีวิตของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ยังมีเครื่องชาร์จที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งเกี่ยวข้องกับการชาร์จ 7 ขั้นตอน เราจะไม่ลงลึกในหัวข้อนี้มากนักเนื่องจากอยู่ไกลจากขอบเขตของบทความนี้ แต่ถ้าคุณสนใจที่จะทราบการกล่าวถึงในส่วนความคิดเห็นและฉันจะเขียนบทความแยกต่างหากเกี่ยวกับการชาร์จเซลล์ Li-ion
State Of Charge (SOC)%:สถานะของการชาร์จไม่มีอะไรเลยนอกจากความจุของแบตเตอรี่ซึ่งคล้ายกับที่แสดงในโทรศัพท์มือถือของเรา ความจุของแบตเตอรี่ไม่สามารถคำนวณได้อย่างชัดเจนด้วยวาล์วแรงดันไฟฟ้าโดยปกติจะคำนวณโดยใช้การรวมกระแสไฟฟ้าเพื่อกำหนดการเปลี่ยนแปลงความจุของแบตเตอรี่เมื่อเวลาผ่านไป
ความลึกของการคายประจุ (DOD)%: DODกำหนดให้แบตเตอรี่สามารถคายประจุได้ไกลเท่าใด ไม่มีแบตเตอรี่ใดที่จะมีการคายประจุ 100% เนื่องจากเราทราบว่าจะทำให้แบตเตอรี่เสียหาย โดยปกติจะมีการตั้งค่าความลึกของการคายประจุ 80% สำหรับแบตเตอรี่ทั้งหมด
มิติของเซลล์:คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์และน่าสนใจอีกอย่างของเซลล์ 18650 คือขนาดของมัน เซลล์ทุกเซลล์จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม. และสูง 650 มม. ซึ่งทำให้เซลล์นี้ได้รับชื่อ 18650
หากคุณต้องการคำจำกัดความคำศัพท์เพิ่มเติมให้ดูเอกสารคำศัพท์ของ MIT Battery ซึ่งคุณจะต้องพบพารามิเตอร์ทางเทคนิคเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่
วิธีที่ง่ายที่สุดในการใช้เซลล์ 18650
หากคุณเป็นมือใหม่ที่สมบูรณ์และเพิ่งเริ่มต้นด้วยเซลล์ 18650 เพื่อขับเคลื่อนโครงการของคุณวิธีที่ง่ายที่สุดคือการใช้โมดูลสำเร็จรูปที่สามารถชาร์จและปล่อยเซลล์ 18650 ของคุณได้อย่างปลอดภัย เฉพาะโมดูลดังกล่าวคือโมดูล TP4056 ซึ่งสามารถรองรับเซลล์ 18650 เดียวได้
หากคุณฉายภาพต้องการมากกว่า 3.6V เป็นแรงดันไฟฟ้าขาเข้าคุณอาจต้องการรวมเซลล์ 18650 สองชุดเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้า 7.4V ในกรณีเช่นนี้ให้ใช้โมดูลเช่นโมดูลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 2S 3A น่าจะเป็นประโยชน์ในการชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่อย่างปลอดภัย
ที่จะรวมสองคนหรือมากกว่า 18650 เซลล์เราไม่สามารถใช้เทคนิคการบัดกรีธรรมดาที่จะทำให้การเชื่อมต่อระหว่างทั้งสองแทนกระบวนการที่เรียกว่าการเชื่อมจุดถูกนำมาใช้ นอกจากนี้ในขณะที่รวมเซลล์ 18650 ในอนุกรมหรือขนานกันควรใช้ความระมัดระวังมากขึ้นซึ่งจะกล่าวถึงในย่อหน้าต่อไปนี้
ชุดแบตเตอรี่ Li-ion (เซลล์ในอนุกรมและขนาน)
หากต้องการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาขนาดเล็กหรืออุปกรณ์ขนาดเล็กเซลล์ 18650 เดียวหรืออย่างมากที่สุดคู่หนึ่งในซีรีย์จะทำเคล็ดลับ ในการใช้งานประเภทนี้ความซับซ้อนจะน้อยลงเนื่องจากจำนวนแบตเตอรี่ที่เกี่ยวข้องน้อยกว่า แต่สำหรับการใช้งานที่ใหญ่กว่าเช่น Electric Cycle / Moped หรือรถยนต์ Tesla เราจะต้องเชื่อมต่อเซลล์เหล่านี้จำนวนมากในอนุกรมและแบบขนานเพื่อให้ได้แรงดันและความจุเอาต์พุตที่ต้องการ ตัวอย่างเช่นรถเทสลามีเซลล์ลิเธียมมากกว่า 6800 เซลล์ในแต่ละระดับ 3.7V และ 3.1Ah ภาพด้านล่างแสดงวิธีการจัดเรียงภายในแชสซีของรถ
ด้วยจำนวนเซลล์จำนวนมากในการตรวจสอบเราจึงจำเป็นต้องมีวงจรเฉพาะที่สามารถชาร์จตรวจสอบและปล่อยเซลล์เหล่านี้ได้อย่างปลอดภัย ระบบเฉพาะนี้เรียกว่าระบบตรวจสอบแบตเตอรี่ (BMS)หน้าที่ของ BMS คือการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แต่ละเซลล์ของลิเธียมไอออนทุกเซลล์และตรวจสอบอุณหภูมิด้วย นอกเหนือจากนั้น BMS บางตัวยังตรวจสอบกระแสการชาร์จและการคายประจุของระบบ
เมื่อรวมเซลล์มากกว่าสองเซลล์เพื่อสร้างแพ็คควรใช้ความระมัดระวังว่าพวกมันมีคุณสมบัติทางเคมีแรงดันไฟฟ้าระดับ Ah และความต้านทานภายในเหมือนกัน นอกจากนี้ในขณะที่ชาร์จเซลล์ BMS ทำให้แน่ใจว่าพวกเขาจะมีค่าบริการอย่างสม่ำเสมอและปล่อยออกมาอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้ในเวลาใดก็ตามทุกแบตเตอรี่รักษาแรงดันเดียวกันนี้เรียกว่าสมดุลของเซลล์นอกเหนือจากนี้ผู้ออกแบบยังต้องกังวลเกี่ยวกับการระบายความร้อนของแบตเตอรี่เหล่านี้ในขณะชาร์จและคายประจุเนื่องจากไม่ตอบสนองได้ดีในช่วงอุณหภูมิสูง
หวังว่าบทความนี้จะให้รายละเอียดเพียงพอเพื่อให้คุณมั่นใจกับเซลล์ Li-ion หากคุณมีข้อสงสัยใด ๆ โปรดทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นและเราจะพยายามอย่างเต็มที่ในการตอบกลับ จนกว่าจะมีความสุขในการซ่อมแซม