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Wie wähle ich einen für Ihre Hardware geeigneten Lithium-Ionen-Akku aus?

2021-02-10
Batterie ist die wichtigste Elektronik in Ihrer Hardware. Aber wie stellen Sie sicher, dass Sie die für Ihre Hardware geeignete Lithium-Ionen-Batterie auswählen?

Dieser Artikel enthält zwei Teile, um die Frage zu veranschaulichen. In Teil 1 werden die wichtigen Überlegungen bei der Auswahl der richtigen Batterie für eine Verbraucheranwendung erläutert. Dazu gehören Wiederaufladbarkeit, Energiedichte, Leistungsdichte, Haltbarkeit, Sicherheit, Formfaktor, Kosten und Flexibilität. In Teil 2 wird untersucht, wie sich die Chemie auf wichtige Batteriemetriken und damit auf die Batterieauswahl für Ihre Anwendung auswirkt. In Teil 3 werden wir uns mit gängigen Sekundärbatteriechemien befassen.


EINIGE WICHTIGE ÜBERLEGUNGEN BEI DER AUSWAHL DER BATTERIE SIND:

1. Primär- und Sekundärbatterien - Eine der ersten Möglichkeiten bei der Batterieauswahl besteht darin, zu entscheiden, ob für die Anwendung Primärbatterien (einmaliger Gebrauch) oder Sekundärbatterien (wiederaufladbar) erforderlich sind. Zum größten Teil ist dies eine einfache Entscheidung für den Designer. Anwendungen mit gelegentlichem intermittierendem Gebrauch (wie Rauchmelder, Spielzeug oder Taschenlampe) und Einweganwendungen, bei denen das Laden unpraktisch wird, erfordern die Verwendung einer Primärbatterie. Hörgeräte, Uhren (Smartwatches sind eine Ausnahme), Grußkarten und Herzschrittmacher sind gute Beispiele. Wenn der Akku kontinuierlich und über einen längeren Zeitraum verwendet werden soll, z. B. in einem Laptop, einem Mobiltelefon oder einer Smartwatch, ist ein Akku besser geeignet.

Primärbatterien haben eine viel geringere Selbstentladungsrate - ein attraktives Merkmal, wenn das Laden vor dem ersten Gebrauch nicht möglich oder praktisch ist. Sekundärbatterien neigen dazu, schneller Energie zu verlieren. Dies ist in den meisten Anwendungen aufgrund der Fähigkeit zum Aufladen weniger wichtig.

2. Energie vs. Leistung - Die Laufzeit einer Batterie wird durch die Batteriekapazität in mAh oder Ah bestimmt und ist der Entladestrom, den eine Batterie im Laufe der Zeit liefern kann.

Beim Vergleich von Batterien unterschiedlicher Chemie ist es hilfreich, den Energiegehalt zu betrachten. Um den Energiegehalt einer Batterie zu erhalten, multiplizieren Sie die Batteriekapazität in Ah mit der Spannung, um Energie in Wh zu erhalten. Beispielsweise können eine Nickel-Metallhydrid-Batterie mit 1,2 V und eine Lithium-Ionen-Batterie mit 3,2 V die gleiche Kapazität haben, aber die höhere Spannung des Lithium-Ions würde die Energie erhöhen.

Die Leerlaufspannung wird üblicherweise bei Energieberechnungen verwendet (d. H. Batteriespannung, wenn sie nicht an eine Last angeschlossen ist). Sowohl die Kapazität als auch die Energie hängen jedoch stark von der Abflussrate ab. Die theoretische Kapazität wird nur durch aktive Elektrodenmaterialien (Chemie) und aktive Masse bestimmt. Praktische Batterien erreichen jedoch aufgrund des Vorhandenseins inaktiver Materialien und kinetischer Einschränkungen, die die vollständige Verwendung aktiver Materialien und die Bildung von Entladungsprodukten auf den Elektroden verhindern, nur einen Bruchteil der theoretischen Zahlen.

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 Kapazitätsbewertungen des Herstellers insbesondere auf die Abflussraten. Ein Akku, der auf einem 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 1 Stunde lang keine 2 A liefern, sondern nur einen Bruchteil der Kapazität.

Batterien mit hoher Leistung bieten eine schnelle Entladefähigkeit bei hohen Entleerungsraten, wie beispielsweise bei Elektrowerkzeugen oder Anwendungen für Starterbatterien für Kraftfahrzeuge. Typischerweise haben Hochleistungsbatterien niedrige Energiedichten.

Eine gute Analogie zwischen Leistung und Energie besteht darin, sich einen Eimer mit Ausguss vorzustellen. 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, entspricht der Leistung - je höher die Leistung, desto höher die Abflussrate. Um die Energie zu erhöhen, erhöhen Sie normalerweise die Batteriegröße (für eine bestimmte Chemie), aber um die Leistung zu erhöhen, verringern Sie den Innenwiderstand. Der Zellaufbau spielt eine große Rolle bei der Gewinnung von Batterien mit hoher Leistungsdichte.




Sie sollten in der Lage sein, theoretische und praktische Energiedichten für verschiedene Chemikalien aus Batterielehrbüchern zu vergleichen. Da die Leistungsdichte jedoch so stark von der Batteriekonstruktion abhängt, werden diese Werte selten aufgelistet.

3. Spannung - Die Batteriebetriebsspannung ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt und wird durch die verwendeten Elektrodenmaterialien bestimmt. Eine nützliche Batterieklassifizierung besteht darin, wässrige oder wasserbasierte Batterien im Vergleich zu Lithium-basierten Chemikalien zu berücksichtigen. Bleisäure, Zinkkohlenstoff und Nickelmetallhydrid verwenden alle Elektrolyte auf Wasserbasis und haben Nennspannungen im Bereich von 1,2 bis 2 V. Lithiumbatterien verwenden dagegen organische Elektrolyte und haben Nennspannungen von 3,2 bis 4 V (sowohl Primär- als auch Primärspannungen) sekundär).

Viele elektronische Komponenten arbeiten mit einer Mindestspannung von 3 V. Die höhere Betriebsspannung von Chemikalien auf Lithiumbasis ermöglicht die Verwendung einer einzelnen Zelle anstelle von zwei oder drei Zellen auf wässriger Basis in Reihe, um die gewünschte Spannung zu erreichen.

Eine andere zu beachtende Sache ist, dass einige Batteriechemien wie Zink MnO2 eine abfallende Entladungskurve haben, während andere ein flaches Profil haben. Dies beeinflusst die Abschaltspannung (Abb. 3).

Abbildung 3: Spannungsdiagramm basierend auf der Batteriechemie

VTC Power Voltage Plot Batterie auf Chemie
4. Temperaturbereich - Die Batteriechemie bestimmt den Temperaturbereich der Anwendung. Beispielsweise können wässrige Zink-Kohlenstoff-Zellen auf Elektrolytbasis nicht unter 0 ° C verwendet werden. Alkalische Zellen zeigen bei diesen Temperaturen ebenfalls einen starken Kapazitätsabfall, wenn auch weniger als Zink-Kohlenstoff. Lithium-Primärbatterien mit einem organischen Elektrolyten können bis zu -40 ° C betrieben werden, jedoch mit einem erheblichen Leistungsabfall.

In wiederaufladbaren Anwendungen können Lithium-Ionen-Batterien nur in einem engen Fenster von etwa 20 bis 45 ° C mit maximaler Geschwindigkeit geladen werden. Jenseits dieses Temperaturbereichs müssen niedrigere Ströme / Spannungen verwendet werden, was zu längeren Ladezeiten führt. Bei Temperaturen unter 5 ° oder 10 ° C kann eine Erhaltungsladung erforderlich sein, um das gefürchtete Problem der dendritischen Lithiumbeschichtung zu vermeiden, das das Risiko eines thermischen Durchgehens erhöht (wir haben alle von explodierenden Batterien auf Lithiumbasis gehört, die als Folge davon auftreten könnten Überladung, Laden bei niedriger oder hoher Temperatur oder Kurzschluss durch Verunreinigungen).

ANDERE ÜBERLEGUNGEN ENTHALTEN:

5. Haltbarkeit - Dies bezieht sich darauf, wie lange eine Batterie in einem Lagerraum oder in einem Regal steht, bevor sie verwendet wird. Primärbatterien sind viel länger haltbar als Sekundärbatterien. Die Haltbarkeit ist jedoch im Allgemeinen für Primärbatterien wichtiger, da Sekundärbatterien aufgeladen werden können. Eine Ausnahme ist, wenn das Aufladen nicht praktikabel ist.

6. Chemie - Viele der oben aufgeführten Eigenschaften werden von der Zellchemie bestimmt. Wir werden im nächsten Teil dieser Blog-Reihe allgemein verfügbare Batteriechemien diskutieren.

7. Physikalische Größe und Form - Batterien sind normalerweise 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 einen Akku mit besseren Leistungseigenschaften abgeben müssen, da die Anwendung sehr kostensensitiv ist. Dies gilt insbesondere für Einweganwendungen mit hohem Volumen.

9. Transport- und Entsorgungsvorschriften - Der Transport von Batterien auf Lithiumbasis ist geregelt. Die Entsorgung bestimmter Batteriechemikalien ist ebenfalls geregelt. Dies kann eine Überlegung für Anwendungen mit hohem Volumen sein.

10. Sicherheit des Herstellers von Lithiumbatterien. Einige Hersteller haben vor der Massenproduktion noch keinen eigenen Sicherheits- und Zuverlässigkeitstest durchgeführt. Dies ist die große Gefahr bei der endgültigen Anwendung.


Bei der Auswahl einer Batterie gibt es viele Überlegungen. Einige davon beziehen sich auf die Chemie, andere auf das Design, die Konstruktion und die Fähigkeiten des Herstellers. Wählen Sie den erfahrensten Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien. Dies ist der wichtigste. VTC Power Co., Ltd, spezialisiert auf die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien seit 20 Jahren und Geben Sie den besten Vorschlag für Sie


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