Historia ogniw Li-ion sięga lat 70. XX wieku, kiedy to grupa naukowców z firmy Exxon opracowała pierwsze komercyjne ogniwo litowo-jonowe. Pierwsze w pełni funkcjonalne ogniwo Li-ion zostało skonstruowane w 1985 roku przez M.S. Whittinghama z Uniwersytetu w Stanach Zjednoczonych, który stworzył pierwszy prototyp z elektrodami węglowymi.
Następnie, w 1991 roku, japoński naukowiec Akira Yoshino z firmy Asahi Kasei opracował pierwsze ogniwo Li-ion wykorzystujące elektrody węglowe i tlenek kobaltu. Ta nowa technologia ogniw Li-ion była bardziej wydajna i bezpieczniejsza niż poprzednie rozwiązania, co otworzyło drogę do ich powszechnego stosowania.
Dzięki swojej wysokiej gęstości energii, małej masie i długiej żywotności, ogniwka Li-ion stały się bardzo popularne w różnych zastosowaniach, takich jak telefony komórkowe, laptopy, kamery i narzędzia elektryczne. W ciągu ostatnich kilku lat, rozwój technologii ogniw Li-ion doprowadził do zwiększenia ich pojemności oraz poprawy bezpieczeństwa i trwałości.
Obecnie, ogniwka Li-ion są stosowane nie tylko w urządzeniach przenośnych, ale również w samochodach elektrycznych i magazynach energii słonecznej, co stanowi istotny krok w kierunku bardziej ekologicznego i zrównoważonego sposobu wytwarzania i korzystania z energii.
Aktualnie ogniwa Li-ion występują w różnych typach obudów, w zależności od zastosowania i wymagań dotyczących ich wydajności, bezpieczeństwa i trwałości.
Najczęściej stosowanymi obudowami dla ogniw Li-ion są:
- Metalowe cylindryczne obudowy – wykorzystywane w ogniwach cylindrycznych, takich jak te stosowane w bateriach AA i 18650, powszechnie używanych w laptopach, latarkach, elektronarzędziach i innych urządzeniach przenośnych.
- Metalowe obudowy płaskie – wykorzystywane w ogniwach płaskich, takich jak te stosowane w bateriach do smartfonów i tabletów, które są cieńsze i bardziej płaskie niż ogniwka cylindryczne.
- Pakiety ogniw – wielokrotne ogniwa Li-ion połączone razem, często umieszczone w specjalnej obudowie, stosowane w dużych aplikacjach, takich jak magazyny energii słonecznej i systemy zasilania awaryjnego.
- Obudowy elastomerowe – stosowane w ogniwach elastycznych, które mogą być wyginane i kształtowane do różnych kształtów i rozmiarów, co pozwala na ich integrację z różnymi urządzeniami, takimi jak zegarki i inteligentne opaski.
- Obudowy ceramiczne – stosowane w ogniwach o dużej mocy, takich jak te stosowane w samochodach elektrycznych, ze względu na ich wysoką wydajność i odporność na wysokie temperatury.
Pojemności ogniwa Li-ion zależą od rozmiary, kształtu, konstrukcji, materiału elektrod i elektrolitu. Jednakże, w ogólności, ogniwa Li-ion mogą mieć pojemności w zakresie od kilku mAh do ponad kilkudziesięciu Ah.
Najczęściej spotykane pojemności ogniwa Li-ion to:
- Dla ogniw cylindrycznych typu 18650: zwykle od 1000 mAh do 3500 mAh
- Dla ogniw cylindrycznych typu AA: zwykle od 600 mAh do 3000 mAh
- Dla ogniw płaskich: zwykle od 1000 mAh do 4000 mAh
- Dla ogniw pakietów: zwykle od kilkuset mAh do kilku tysięcy mAh, w zależności od liczby połączonych ogniwek
Jednak warto pamiętać, że pojemność ogniwa Li-ion może różnić się w zależności od warunków, w których jest stosowane. Czynniki takie jak temperatura, prąd ładowania i rozładowania, wiek baterii, i sposób jej użytkowania mogą wpłynąć na rzeczywistą pojemność ogniwa Li-ion. Ogniwa Li-ion są coraz częściej stosowane w motoryzacji jako źródło zasilania dla pojazdów elektrycznych. Dzięki swojej wysokiej gęstości energii i wydajności, ogniwa Li-ion umożliwiają przejechanie znacznie większej odległości na jednym ładowaniu w porównaniu do tradycyjnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
Ogniwa Li-ion stosowane w motoryzacji zazwyczaj mają pojemność od kilku do kilkudziesięciu kWh, w zależności od modelu i wymagań dotyczących zasięgu i mocy pojazdu. Ogniwa te są zazwyczaj pakowane w baterie, które mogą być umieszczone w różnych miejscach w samochodzie, takich jak podłoga, bagażnik, lub pod maską.
Ogniwa Li-ion dla motoryzacji są projektowane tak, aby spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące bezpieczeństwa, trwałości i wydajności. W celu zapobiegania przegrzaniu i zapobieganiu pożarom, ogniwa te są zazwyczaj wyposażone w systemy chłodzenia, a także zaawansowane układy zarządzania baterią, które monitorują i kontrolują parametry pracy ogniwa, takie jak temperatura, napięcie i prąd ładowania i rozładowania.
Oprócz samochodów osobowych, ogniwa Li-ion są stosowane również w innych pojazdach elektrycznych, takich jak motocykle, skutery, rowery elektryczne, autobusy i ciężarówki.
Ogniwa Li-ion mają różne napięcia, w zależności od ich konstrukcji i zastosowania. Ogólnie rzecz biorąc, napięcie pojedynczego ogniwa Li-ion wynosi około 3,6 V do 3,7 V w stanie naładowanym, a około 2,5 V do 3,0 V w stanie rozładowanym.
Jednakże, istnieją również ogniwa Li-ion o innych napięciach, takie jak:
- 3,2 V – jest to typowe napięcie ogniwa LiFePO4 (Litowo-żelazowo-fosforanowego), które jest stosowane w niektórych zastosowaniach, takich jak magazynowanie energii i motoryzacja.
- 3,8 V – jest to napięcie zwykle stosowane w nowszych ogniach Li-ion, takich jak typ 21700 i 26650, które posiadają większą pojemność niż starsze typy, takie jak 18650.
- 4,35 V – jest to maksymalne napięcie ładowania dla niektórych ogniw Li-ion, takich jak ogniwa LiCoO2 (litowo-kobaltowego tlenku), które umożliwiają zwiększenie pojemności i gęstości energii.
Ważne jest, aby pamiętać, że napięcie ogniwa Li-ion jest zależne od jego stanu naładowania i może się zmieniać w trakcie ładowania i rozładowywania.
Ogniwa Li-ion wymagają zastosowania BMS (Battery Management System), czyli systemu zarządzania baterią, aby zapewnić bezpieczną i niezawodną pracę baterii. BMS to zaawansowany system elektroniczny, który kontroluje parametry pracy baterii, takie jak napięcie, prąd, temperaturę i poziom naładowania, oraz reguluje ładowanie i rozładowywanie ogniwa.
BMS jest szczególnie ważny dla ogniwa Li-ion ze względu na ich wrażliwość na niewłaściwe ładowanie lub rozładowanie, które może prowadzić do uszkodzenia baterii lub nawet pożaru. BMS może zapobiegać przegrzaniu, przeładowaniu, nadmiernemu rozładowaniu oraz balansować napięcie pomiędzy poszczególnymi ogniwami w pakiecie baterii.
W motoryzacji, gdzie ogniwa Li-ion są często stosowane w bateriach o dużej pojemności, BMS jest niezbędny dla zapewnienia bezpieczeństwa, trwałości i wydajności baterii. BMS może również zapewnić informacje o stanie baterii, takie jak poziom naładowania, historię ładowania i rozładowywania, i ostrzegać użytkownika o potencjalnych problemach z baterią.
Ogniwa Li-ion są projektowane, aby wytrzymać od 500 do 1000 cykli ładowania i rozładowania, co oznacza, że bateria będzie w stanie naładować i rozładować określoną liczbę razy zanim poziom jej pojemności spadnie poniżej 80% pierwotnej pojemności.
Jednakże, żywotność baterii Li-ion może się różnić w zależności od wielu czynników, takich jak temperatura, prąd ładowania, prąd rozładowania, czas przechowywania, sposób użytkowania, itp. Zwykle, im wyższa temperatura i większy prąd ładowania i rozładowania, tym krótsza żywotność baterii.
Ponadto, wiele producentów baterii Li-ion oferuje gwarancję na określoną liczbę cykli, np. na 500 lub 1000 cykli. Po przekroczeniu tej liczby cykli, pojemność baterii zaczyna się stopniowo zmniejszać, co może wpłynąć na czas pracy urządzenia zasilanego baterią.
Prądy, jakimi można obciążać ogniwa Li-ion, zależą od typu i rozmiaru ogniwa, ale zwykle wynoszą od kilkudziesięciu mA do kilku A. Dokładne wartości prądów, jakimi można obciążać ogniwa Li-ion, można znaleźć w specyfikacjach producenta.
Zasadniczo, im większy prąd ładowania i rozładowywania, tym szybciej bateria się zużywa i ma mniejszą żywotność. Dlatego ważne jest, aby stosować odpowiednio dobrane prądy ładowania i rozładowywania, które nie przekraczają zalecanych wartości producenta.
W motoryzacji, gdzie ogniwa Li-ion są często stosowane w bateriach o dużej pojemności, ważne jest, aby zapewnić odpowiednie chłodzenie baterii podczas ładowania i rozładowywania, aby uniknąć przegrzania baterii. Przegrzanie baterii może prowadzić do uszkodzenia baterii lub nawet pożaru.
Dlatego, przed podłączeniem ogniwa Li-ion do obciążenia, należy upewnić się, że prąd obciążenia nie przekracza zalecanych wartości i że bateria jest odpowiednio chłodzona, aby zapewnić bezpieczne i niezawodne działanie ogniwa.