Litijum-jonske baterije

1. Osobine

Litijum jonske baterije su komercijalno postale dostupne 1970-tih i od tada pa do danas napravile su veliki proboj na tržište baterija. Zbog svojih izvanrednih karakteristika danas se najčešće koriste u uređajima kao što su mobilni telefoni, digitalne kamere, laptopi i sl. gdje predstavljaju skoro pa jedine baterije koje se koriste. Što se tiče upotreba za veće snage i veće kapacitete što je nama interesantno ove baterije se najčešće koriste u električnim (EV) i hibridnim električnim vozilima (HEV). Kao stacionarne baterije se rijetko koriste i prema nekim istraživanjima tek oko 27MW instalisane snage u svijetu odlazi na litijumske stacionarne baterije. Istraživanja govore da će do 2022 godine taj broj porasti na 1753MW

1.1 Prednosti litijum-jonskih baterija

Velika gustina energije (4x veća u odnosu na npr. olovne) Veliki napon jedne ćelije Lagane Dostupne u svim veličinama i kapacitetima (postoje i pojedinačne ćelije do 1000Ah) Mogu dati struje pražnjenja i do 40C što je bitno kod automobila i hibridnih automobila Velika efikasnost Mogu se brzo puniti Drže konsatntan napon na izlazu i do 80% ispražnjenosti za razliku od olovnih 50% Nemaju memorijski efekat Velika ponovljivost punjenja (cycle life 1000-3000)

1.2 Mane litijum-jonskih baterija

Cijena (u stacionarnim primjenama dosta su skuplje od olovnih i NiCd) Stabilnost hemikalija (litijum je mnogo hemijski reaktivniji) Ne trpe prepunjavanje (gube kapacitet i raste im temperatura pa se mogu zapaliti) Ne trpe pražnjenje ispod 2V po ćeliji Ako se zgnječe mogu se zapaliti Potrebno im je zaštitno kolo Propadaju na visokim temperaturama Teško im je mjeriti stanje napunjenosti

2. Punjenje

Metoda punjenja litijum-jonskih baterija je IU (konstantnom strujom-konstantnim naponom). Ove baterije imaju duži životni vijek ako se ne pune do kraja već djelimično. Ne trpe prepunjavanje. Maksimalni napon do koga treba puniti bateriju je 4.2V/ćeliji međutim ako punimo bateriju do 4.1V/ćeliji imaće veći životni vijek ali i smanjenu efektivnu kapacitivnost za oko 10%. Brzo punjenje je u toku režima punjenja konstantnom strujom do 70% kapaciteta baterije. Baterija nakon režima punjenja konstantnom strujom prelazi u režim punjenja konstantnim naponom (slika1). Tada je baterija priključena na konstantan napon

sve dok struja punjenja baterije ne opadne na oko 3% struje koja odgovara nominalnoj kapacitivnosti.

Slika 1. Punjenje Li-ion baterija

Katode litijum-jonskih ćelija se prave od nekoliko različitih vrsta materijala. U zavisnosti od toga koji se materijal koristi imamo i različit nominalni napon ćelije

Tabela 1: Karakteristike punjivih litijum-jonskih baterija

Materijal elektrode Nominalni napon [V] Gustina energije [Wh/kg]

Temperaturna stabilnost

Kobalt oksid 3.7 195 slaba

Nikl Kobalt Aluminijum oksid

(NCA)

3.6 220 solidna

Nikl Kobalt Mangan oksid (NCM)

3.6 205 solidna

Mangan oksid(najčešče ,80% svih litijumskih baterija)

3.9 150 dobra

Gvožđe fosfat (LFP) 3.2 90-130 veoma dobra

3. Testiranje Li-ion baterija

Najvažnije informacije o stanju baterije daju nam vrijednosti kapaciteta i unutrašnje impedanse baterije.

RPT (Reference Performance Test) je jedan od standardnih testova kojim se testiraju litijum-jonske baterije koje se koriste u električnim (EV) i hibridnim električnim (HEV) vozilima. Taj test se u stvari sastoji od nekoliko uzastopnih koraka potpunog pražnjenja i punjenja baterije (ćelije) različitim brzinama kao i višestrukih impulsnih punjenja i pražnjenja (slika 2). Ovim testom se određuje kako stanje napunjenosti i kapacitet baterije tako i maksimalna snaga koju baterija može da prihvati prilikom naglog impulsnog punjenja i da prilikom pražnjenja. Ovaj test su zajednički razvili Scania AB, Volvo AB , KTH, UU.

Tabela 2: Koraci RPT-a

Korak

Opis Dobijeni parametri

1 Pražnjenje baterije do kraja 0% SOC Preostali kapacitet2 Punjenje i pražnjenje brzinom (strujom)

1CProifil napona pri pražnjenju i standardnu vrijednost kapaciteta pri pražnjenju 1C

3 Punjenje i pražnjenje brzinom C/4 Proifil napona pri pražnjenju i vrijednost kapaciteta pri pražnjenju manjom strujom, koristi se za inkrementalnu analizu kapaciteta i procjenu kapaciteta anode

4 Snaga punjenja 10C (punjenje impulsom stuje 10C)

Dinamički odziv na velike struje, DC impedansa prilikom punjenja

5 Snaga pražnjenja 10C (pražnjenje impulsom stuje 10C)

Dinamički odziv na velike struje, DC impedansa prilikom pražnjenja

6 Reset Priprema za test životnog vijeka u odnosu na broj punjenja i pražnjenja

Slika 2 testiranje HEV litijum jonskih baterija (RPT test)

(1) U prvom koraku baterija se potpuno isprazni konstantnom strujom. Napon do koga se baterija prazni je obično oko 2.5-3V/ćeliji. Ovaj korak testa nam služi za određivanje preostalog kapaciteta baterije, odnosno do kog nivoa je baterija bila puna prije početka testiranja.

(2) Sledeći korak je punjenje i pražnjenje baterije konstantnom strujom brzinom 1C. Ovim korakom se određuje vrijednost standardne kapacitivnosti za brzinu pražnjenja 1C.

(3) Nakon ovog koraka dolazi punjenje i pražnjenje brzinom (strujom) C/4. Ovaj korak služi za određivanje kapaciteta baterije pri pražnjenju brzinama manjim od 1C, kao i u analizi inkrementalne kapacitivnosti.

(4) (5) U toku koraka 4 i 5 baterija se puni i prazni naglim impulsima struje u kratkim vremenskim intervalima. Ovim se u stvari baterije testiraju na to koliko brzo mogu da daju i prihvate velike količine energije u kratkim vremenskim intervalima. Kod HEV litijumskih baterija je to bitno jer se energija kočenja vozila (rekuperativna energija) koristi za punjenje baterije. Struje kojima se provodi test snage punjenja i pražnjenja su obično oko 10C. Trajanje impulsa struje je 18 s nakon čega prije novog impulsa dolazi period relaksacije od 30 min, kako bi dobili precizno izračunavanje DC impedanse i temperatusko izjednačavanje. Ovi testovi se obavljaju pri stanju napunjenosti baterije od 30%,50% i 70% za snagu punjenja i 80%,60% i 40% za snagu pražnjenja. Ovdje je stanje napunjenosti povezano sa nominalnom kapacitivnosti a ne sa kapacitivnosti koja je izmjerena u koracima 2 ili 3.

Kombinovani impulsi punjenja koji slijede nakon svakog impulsa snage se koriste da se odredi dinamički odziv ćelije kao i energetska efikasnost. U zbiru sveukupno testiranje baterije traje oko 24h i kao posledicu ima 2 potpuna pražnjenja baterije jedno djelimično pražnjenje baterije na oko 40% SOC i drugo djelimično pražnjenje na oko 80%.

Na slici 3 su prikazani talasni oblici struje i napona u toku koraka 4 i 5 RPT testa gdje vidimo da je testna struja 10C dovedena između trenutaka t2 i t3 praćena konstantnim naponom punjenja između trenutaka t3 i t4 nakon čega slijedi period relaksacije.

Slika 3. Impuls punjenja (4 i 5 korak RPT testa)

Unutrašnje stanje baterije je direktno povezano sa mjerenjem kapacitivnosti baterije tokom pražnjenja brzinom C/4 u trećem koraku testiranja.

3.1 Test dinamičkog odziva

Kao dodatak testu maksimalne snage koji se obavlja u koracima 4 i 5 testiranja dovode se i impulsi kratkog trajanja kako bi se odredila energetska efikasnost. Ova sekvenca se sastoji od impulsa punjenja i pražnjenja brzinama 2C i 4C. Ćelije koje imaju veću unutrašnju impedansu izazvaće veći pad napona a samim tim imaju i manju efikasnost

Tabela 3: Ocjena stanja baterije u odnosu na njenu unutrašnju otpornost

Unutrašnja otpornost [mΩ] Nom. Napon baterie [V] Stanje75-150 3.6 Odlično

150-250 3.6 Dobro250-350 3.6 Na granici350-500 3.6 Loše

>500 3.6 Uništena baterija