Der Akku ist die wichtigste Elektronik in Ihrer Hardware. Aber wie stellen Sie sicher, dass Sie den maßgeschneiderten Lithium-Ionen-Akku auswählen, der für Ihre Hardware geeignet ist?
Dieser Artikel besteht aus zwei Teilen, um die Frage zu veranschaulichen. In Teil 1 werden die wichtigen Überlegungen bei der Auswahl der richtigen Batterie für eine Verbraucheranwendung erörtert. Dazu gehören Wiederaufladbarkeit, Energiedichte, Leistungsdichte, Haltbarkeit, Sicherheit, Formfaktor, Kosten und Flexibilität. In Teil 2 wird untersucht, wie sich die Chemie auf wichtige Batteriekennzahlen und damit auf die Batterieauswahl für Ihre Anwendung auswirkt. In Teil 3 werden wir uns mit der gängigen Chemie von Sekundärbatterien befassen.
EINIGE WICHTIGE ÜBERLEGUNGEN BEI DER BATTERIEAUSWAHL SIND:
1. Primär vs. sekundär – Eine der ersten Entscheidungen bei der Batterieauswahl besteht darin, zu entscheiden, ob die Anwendung primäre (Einweg-) oder sekundäre (wiederaufladbare) Batterien erfordert. In den meisten Fällen ist dies eine einfache Entscheidung für den Designer. Anwendungen mit gelegentlichem intermittierendem Gebrauch (z. B. ein Rauchmelder, ein Spielzeug oder eine Taschenlampe) und Einweganwendungen, bei denen das Aufladen unpraktisch ist, rechtfertigen die Verwendung einer Primärbatterie. Gute Beispiele sind Hörgeräte, Uhren (mit Ausnahme von Smartwatches), Grußkarten und Herzschrittmacher. Soll der Akku kontinuierlich und über einen längeren Zeitraum genutzt werden, etwa in einem Laptop, einem Handy oder einer Smartwatch, ist ein wiederaufladbarer Akku besser geeignet.
Primärbatterien weisen eine viel geringere Selbstentladungsrate auf – eine attraktive Funktion, wenn das Aufladen vor dem ersten Gebrauch nicht möglich oder praktisch ist. Sekundärbatterien neigen dazu, schneller Energie zu verlieren. Aufgrund der Wiederauflademöglichkeit ist dies bei den meisten Anwendungen weniger wichtig.
2. Energie vs. Leistung – Die Laufzeit einer Batterie wird durch die Batteriekapazität bestimmt, ausgedrückt in mAh oder Ah und ist der Entladestrom, den eine Batterie im Laufe der Zeit liefern kann.
Beim Vergleich von Batterien unterschiedlicher Chemie ist es sinnvoll, auf den Energieinhalt zu achten. Um den Energieinhalt einer Batterie zu erhalten, multiplizieren Sie die Batteriekapazität in Ah mit der Spannung, um die Energie in Wh zu erhalten. Beispielsweise können ein Nickel-Metallhydrid-Akku mit 1,2 V und ein Lithium-Ionen-Akku mit 3,2 V die gleiche Kapazität haben, aber die höhere Spannung des Lithium-Ionen würde die Energie erhöhen.
Bei Energieberechnungen wird üblicherweise die Leerlaufspannung verwendet (d. h. die Batteriespannung, wenn keine Last angeschlossen ist). Allerdings hängen sowohl die Kapazität als auch die Energie stark von der Entleerungsrate ab. Die theoretische Kapazität wird nur durch die aktiven Elektrodenmaterialien (Chemie) und die aktive Masse bestimmt. Praktische Batterien erreichen jedoch nur einen Bruchteil der theoretischen Werte, da inaktive Materialien und kinetische Einschränkungen vorhanden sind, die eine vollständige Nutzung der aktiven Materialien und die Bildung von Entladungsprodukten auf den Elektroden verhindern.
Batteriehersteller geben häufig die Kapazität bei einer bestimmten Entladerate, Temperatur und Abschaltspannung an. Die angegebene Kapazität hängt von allen drei Faktoren ab. Achten Sie beim Vergleich der Hersteller-Kapazitätswerte insbesondere auf die Entleerungsraten. Ein Akku, der laut Datenblatt eine hohe Kapazität zu haben scheint, kann tatsächlich eine schlechte Leistung erbringen, wenn der Stromverbrauch für die Anwendung höher ist. Beispielsweise kann eine Batterie mit einer Nennleistung von 2 Ah für eine 20-stündige Entladung nicht 2 A für eine Stunde liefern, sondern stellt nur einen Bruchteil der Kapazität bereit.
Batterien mit hoher Leistung bieten eine schnelle Entladefähigkeit bei hohen Entladungsraten, z. B. in Elektrowerkzeugen oder bei Anwendungen mit Starterbatterien für Kraftfahrzeuge. Typischerweise haben Hochleistungsbatterien eine niedrige Energiedichte.
Eine gute Analogie für Leistung versus Energie ist die Vorstellung eines Eimers mit Ausguss. Ein größerer Eimer kann mehr Wasser aufnehmen und ähnelt einer Batterie mit hoher Energie. Die Öffnungs- oder Auslaufgröße, aus der das Wasser den Eimer verlässt, hängt von der Leistung ab – je höher die Leistung, desto höher die Ablaufrate. Um die Energie zu erhöhen, erhöhen Sie normalerweise die Batteriegröße (für eine bestimmte Chemie), aber um die Leistung zu erhöhen, verringern Sie den Innenwiderstand. Um Batterien mit hoher Leistungsdichte zu erhalten, spielt der Zellaufbau eine große Rolle.
Sie sollten in der Lage sein, theoretische und praktische Energiedichten für verschiedene Chemien aus Batterielehrbüchern zu vergleichen. Da die Leistungsdichte jedoch stark von der Batteriekonstruktion abhängt, werden diese Werte selten aufgeführt.
3. Spannung – Die Betriebsspannung der Batterie ist ein weiterer wichtiger Aspekt und wird durch die verwendeten Elektrodenmaterialien bestimmt. Eine sinnvolle Batterieklassifizierung besteht hier darin, wässrige oder wasserbasierte Batterien im Vergleich zu Lithium-basierten Chemikalien zu betrachten. Bleisäure, Zinkkohle und Nickelmetallhydrid verwenden alle Elektrolyte auf Wasserbasis und haben Nennspannungen im Bereich von 1,2 bis 2 V. Batterien auf Lithiumbasis verwenden hingegen organische Elektrolyte und haben Nennspannungen von 3,2 bis 4 V (sowohl Primär- als auch Primärbatterien). sekundär).
Viele elektronische Komponenten arbeiten mit einer Mindestspannung von 3 V. Die höhere Betriebsspannung von Lithium-basierten Chemikalien ermöglicht die Verwendung einer einzelnen Zelle anstelle von zwei oder drei in Reihe geschalteten Zellen auf Wasserbasis, um die gewünschte Spannung zu erreichen.
Zu beachten ist außerdem, dass einige Batteriechemien wie Zink MnO2 eine abfallende Entladungskurve aufweisen, während andere ein flaches Profil haben. Dies beeinflusst die Abschaltspannung (Abb. 3).
Abbildung 3: Spannungsdiagramm basierend auf der Batteriechemie
VTC Power-Spannungsdiagramm der Batterie anhand der Chemie
4. Temperaturbereich – Die Batteriechemie bestimmt den Temperaturbereich der Anwendung. Beispielsweise können Zink-Kohle-Zellen auf wässriger Elektrolytbasis nicht unter 0 °C verwendet werden. Bei alkalischen Zellen kommt es bei diesen Temperaturen ebenfalls zu einem starken Kapazitätsabfall, wenn auch weniger stark als bei Zink-Kohlenstoff-Zellen. Lithium-Primärbatterien mit organischem Elektrolyt können bis zu -40 °C betrieben werden, jedoch mit deutlichem Leistungsabfall.
Bei wiederaufladbaren Anwendungen können Lithium-Ionen-Batterien nur innerhalb eines engen Temperaturfensters von etwa 20 bis 45 °C mit maximaler Geschwindigkeit aufgeladen werden. Außerhalb dieses Temperaturbereichs müssen geringere Ströme/Spannungen verwendet werden, was zu längeren Ladezeiten führt. Bei Temperaturen unter 5 °C oder 10 °C kann eine Erhaltungsladung erforderlich sein, um das gefürchtete Problem der dendritischen Lithiumbeschichtung zu verhindern, das das Risiko eines thermischen Durchgehens erhöht (wir haben alle von explodierenden Lithiumbatterien gehört, die dadurch auftreten könnten). (z. B. durch Überladung, Laden bei niedriger oder hoher Temperatur oder Kurzschluss durch Verunreinigungen).
WEITERE ÜBERLEGUNGEN SIND:
5. Haltbarkeitsdauer – Dies bezieht sich darauf, wie lange eine Batterie in einem Lagerraum oder auf einem Regal steht, bevor sie verwendet wird. Primärbatterien sind viel länger haltbar als Sekundärbatterien. Allerdings ist die Haltbarkeit bei Primärbatterien im Allgemeinen wichtiger, da Sekundärbatterien wiederaufladbar sind. Eine Ausnahme besteht, wenn das Aufladen nicht praktikabel ist.
6. Chemie – Viele der oben aufgeführten Eigenschaften werden durch die Zellchemie bestimmt. Im nächsten Teil dieser Blogserie werden wir allgemein verfügbare Batteriechemien besprechen.
7. Physische Größe und Form – Batterien sind typischerweise in den folgenden Größenformaten erhältlich: Knopf-/Knopfzellen, zylindrische Zellen, prismatische Zellen und Beutelzellen (die meisten davon in standardisierten Formaten).
8. Kosten – Es kann vorkommen, dass Sie auf eine Batterie mit besseren Leistungsmerkmalen verzichten müssen, weil die Anwendung sehr kostensensibel ist. Dies gilt insbesondere für Einweganwendungen mit hohem Volumen.
9. Transport- und Entsorgungsvorschriften – Der Transport von Lithium-Batterien ist reguliert. Auch die Entsorgung bestimmter Batteriechemikalien ist geregelt. Dies kann bei Anwendungen mit hohem Volumen eine Überlegung sein.
10. Sicherheit der Lithiumbatterien des Herstellers. Einige Hersteller haben vor der Massenproduktion selbst keine Sicherheits- und Zuverlässigkeitstests durchgeführt. Dies stellt eine große Gefahr bei der endgültigen Anwendung dar.
Bei der Auswahl einer Batterie gibt es viele Überlegungen. Einige davon beziehen sich auf die Chemie, während andere sich auf das Batteriedesign, die Konstruktion und die Fähigkeiten des Herstellers beziehen. Die Wahl des erfahrensten Herstellers von Lithium-Ionen-Batterien ist am wichtigsten. VTC Power Co., Ltd ist seit 20 Jahren auf die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien spezialisiert Machen Sie den besten Vorschlag für Sie!
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