Kā darbojas litija jonu akumulatori — 18650, 21700 šūnas un bateriju komplekti

Litija jonu akumulatori ir visapkārt: viedtālruņos, portatīvajos datoros, elektroinstrumentos, robotos putekļsūcējos, elektrovelosipēdos, elektroskūteros un pat elektroauto. Pēdējo 20 gadu laikā tie kļuvuši par dominējošo enerģijas uzglabāšanas tehnoloģiju — un ne velti: augsta enerģijas blīvums, mazs svars, nav atmiņas efekta un garš kalpošanas laiks.

Bet ne visi litija jonu akumulatori ir vienādi. Dažāda ķīmija, dažādi formas faktori, dažādas raksturlielumi — un milzīga kvalitātes atšķirība starp zīmolu šūnām un bezvārda Ķīnas produkcijai. Šajā rakstā aplūkosim, kā ir uzbūvētas litija jonu šūnas, ar ko atšķiras 18650 no 21700, kas ir BMS un kāpēc pareizo šūnu izvēle ir kritiski svarīga drošībai.

Litija jonu šūnu ķīmija

Visi litija jonu akumulatori darbojas pēc viena principa: litija joni pārvietojas starp anodu (parasti grafīts) un katodu uzlādes un izlādes laikā. Bet katoda sastāvs nosaka šūnas galvenās raksturlielumus. Trīs galvenie ķīmijas tipi:

NMC (Nickel Manganese Cobalt) — niķelis-mangāns-kobalts

Visizplatītākais tips elektroinstrumentiem, elektrovelosipēdiem un vidējām slodzēm.

Raksturlielumi:

• Spriegums: 3.6-3.7 V nominālais, 4.2 V pilnībā uzlādēta
• Enerģijas blīvums: augsts (200-250 Wh/kg)
• Resurss: 500-2000 cikli atkarībā no apstākļiem
• Temperatūras diapazons: -20°C līdz +60°C

Šūnu piemēri: Samsung 25R, Samsung 30Q, LG HG2, Samsung 50E

Plusi: labs līdzsvars starp ietilpību, strāvas atdevi un resursu. Universāla ķīmija.

Mīnusi: satur kobaltu (dārgs un ētiski problemātisks), mazāk termiski stabils nekā LFP.

NCA (Nickel Cobalt Aluminium) — niķelis-kobalts-alumīnijs

Augstas enerģijas ķīmija, ko izmanto Tesla elektroauto, augstākās klases elektroinstrumentos un jaudīgās ierīcēs.

Raksturlielumi:

• Spriegums: 3.6 V nominālais, 4.2 V maksimums
• Enerģijas blīvums: ļoti augsts (250-300 Wh/kg)
• Resurss: 500-1500 cikli
• Strāvas atdeve: no mērenas līdz augstai

Šūnu piemēri: Sony VTC5A, Sony VTC6, Panasonic NCR18650GA, Panasonic NCR21700A

Plusi: maksimāls enerģijas blīvums — vieglas un kompaktas baterijas.

Mīnusi: jutīgi pret pārkaršanu, prasa rūpīgāku BMS kontroli.

LFP (Lithium Iron Phosphate) — litija dzelzs fosfāts

Visdrošākā un ilgmūžīgākā ķīmija.

Raksturlielumi:

• Spriegums: 3.2 V nominālais, 3.65 V maksimums
• Enerģijas blīvums: zemāks (120-170 Wh/kg)
• Resurss: 2000-5000+ cikli
• Termiskā stabilitāte: izcila

Pielietojuma piemēri: stacionāras enerģijas uzglabāšanas sistēmas, elektroautobusi, daži elektrovelosipēdi.

Plusi: drošāki bojājuma un pārkaršanas gadījumā, milzīgs resurss, nav kobalta.

Mīnusi: zemāks enerģijas blīvums (lielāks svars un apjoms), zemāks spriegums (prasa citu BMS).

Formas faktori: 18650, 21700, 26650

Cipari šūnas nosaukumā ir tās izmēri milimetros: diametrs un garums.

18650

Izmērs: 18 mm diametrs × 65 mm garums (nedaudz lielāka par AA bateriju)

Visizplatītākais formas faktors pasaulē. Tiek izmantots kopš 1990. gadu sākuma. Portatīvie datori, elektroinstrumenti, lukturīši, roboti putekļsūcēji, elektrovelosipēdi — visur var atrast 18650.

Tipiski raksturlielumi:

• Ietilpība: 1500-3500 mAh
• Maksimālā izlādes strāva: 5-30 A (atkarīgs no modeļa)
• Svars: 45-50 g

Populāri modeļi:

• Sony VTC5A — 2600 mAh, 25 A nepārtrauktas izlādes. Etalons augststrāvas lietojumiem.
• Sony VTC6 — 3000 mAh, 15 A. Lielisks ietilpības un strāvas līdzsvars.
• Samsung 25R — 2500 mAh, 20 A. Darba zirgs, pārbaudīts gadiem.
• Samsung 30Q — 3000 mAh, 15 A. Viens no labākajiem ietilpības/strāvas attiecībā.
• LG MJ1 — 3500 mAh, 10 A. Maksimāla ietilpība, ierīcēm ar zemu patēriņu.
• Panasonic NCR18650GA — 3450 mAh, 10 A. Augsta ietilpība no japāņu kvalitātes.

21700

Izmērs: 21 mm diametrs × 70 mm garums

Modernāks formas faktors, izstrādāts lielākas ietilpības un jaudas nodrošināšanai. Tesla popularizēja 21700 savos elektroauto (Model 3 un Model Y). Šodien 21700 aizvien aktīvāk aizstāj 18650 elektroinstrumentos un elektrovelosipēdos.

Tipiski raksturlielumi:

• Ietilpība: 3000-5000 mAh
• Maksimālā izlādes strāva: 10-45 A
• Svars: 60-70 g

Populāri modeļi:

• Molicel P42A — 4200 mAh, 45 A nepārtrauktas izlādes. Viena no labākajām šūnām pasaulē — tiek izmantota profesionālos elektroinstrumentos un elektrovelosipēdos.
• Samsung 40T — 4000 mAh, 35 A. Jaudīga un ietilpīga, izvēle prasīgiem lietojumiem.
• Samsung 50E — 5000 mAh, 10 A. Maksimāla ietilpība, ierīcēm ar zemu patēriņu.
• LG M50 — 5000 mAh, 7.5 A. Augsta ietilpība, elektrovelosipēdiem un uzkrājējiem.

26650

Izmērs: 26 mm diametrs × 65 mm garums

Lielāks formas faktors, tiek izmantots retāk. Sastopams jaudīgos lukturīšos, dažos elektroinstrumentos un stacionārās uzglabāšanas sistēmās (LFP ķīmija).

Tipiski raksturlielumi:

• Ietilpība: 3500-5500 mAh
• Svars: 80-100 g

Kā tiek komplektēti bateriju paketi: sērijveida un paralēlais savienojums

Viena šūna ir tikai 3.6 V un daži ampērstundas. Reālām ierīcēm šūnas savieno bateriju paketos (battery packs).

Sērijveida savienojums (Series / S)

Sērijveidā savienotas šūnas summē savus spriegumus. Ietilpība paliek kā vienai šūnai.

Piemērs: 4 šūnas × 3.6 V = 14.4 V (konfigurācija 4S)

Šāds pakets tiek izmantots lielākajā daļā sadzīves elektroinstrumentu (DeWalt, Makita, Bosch skrūvgrieži — 18 V = 5S konfigurācija).

Paralēlais savienojums (Parallel / P)

Paralēli savienotas šūnas summē savu ietilpību. Spriegums paliek kā vienai šūnai.

Piemērs: 3 šūnas × 3000 mAh = 9000 mAh (konfigurācija 3P)

Kombinētais savienojums (SxPy)

Praksē tiek izmantotas kombinācijas. Apzīmējums «10S4P» nozīmē: 10 sērijveida grupas pa 4 paralēlām šūnām = 40 šūnas, spriegums 36 V, ietilpība 4 reizes lielāka nekā vienai šūnai.

Tipiskas konfigurācijas:

• Elektroinstruments (18 V): 5S1P (5 šūnas) vai 5S2P (10 šūnas)
• Elektroskūteris (36 V): 10S2P-10S4P (20-40 šūnas)
• Elektrovelosipēds (48 V): 13S4P-13S6P (52-78 šūnas)

BMS: bateriju paketa smadzenes

BMS (Battery Management System) — elektroniska plate, kas vada bateriju paketi un nodrošina drošību. Bez BMS litija jonu baterija ir bīstama.

Ko dara BMS

• Aizsardzība pret pārlādi. Katra šūna nedrīkst tikt uzlādēta virs 4.2 V (NMC/NCA) vai 3.65 V (LFP). Pārlāde noved pie degradācijas, uzpūšanās un aizdegšanās.
• Aizsardzība pret pārizlādi. Šūna nedrīkst tikt izlādēta zem 2.5-3.0 V. Dziļa izlāde neatgriezeniski sabojā šūnu.
• Balansēšana. Sērijveida savienojumā šūnas laika gaitā atšķiras spriegumā. BMS tās izlīdzina, lai visas šūnas būtu vienā līmenī. Bez balansēšanas viena šūna tiek pārlādēta, kamēr citas nepietiekami uzlādētas — tas saīsina resursu un rada bīstamību.
• Aizsardzība pret strāvas pārslodzi. BMS atslēdz bateriju, ja izlādes strāva pārsniedz drošu robežu.
• Temperatūras aizsardzība. Temperatūras sensori atslēdz bateriju pārkaršanas gadījumā (parasti virs 60-70°C).
• Aizsardzība pret īssavienojumu. Tūlītēja atslēgšana īssavienojuma gadījumā.

Kas notiek bez BMS

Baterija bez BMS ir laika bumba. Pārlādes gadījumā šūna uzpūšas, var aizdegties vai eksplodēt. Dziļas izlādes gadījumā šūna neatgriezeniski zaudē ietilpību. Disbalansa gadījumā viena šūna pārslogojas un sabojājas, aizraujot pārējās.

Ietilpība, spriegums un strāvas atdeve

Ietilpība (mAh / Ah)

Enerģijas daudzums, ko šūna var uzglabāt. Mēra miliampērstundās (mAh) atsevišķām šūnām un ampērstundās (Ah) bateriju paketiem.

Piemērs: Samsung 30Q šūna ar 3000 mAh ietilpību var atdot 1 A strāvu 3 stundu garumā vai 3 A 1 stundas garumā (aptuveni).

Nominālais spriegums (V)

Vidējais šūnas darba spriegums. NMC/NCA — 3.6-3.7 V. Pilnībā uzlādēta — 4.2 V. Minimāli pieļaujamā izlāde — 2.5-3.0 V.

Maksimālā izlādes strāva (A)

Maksimālā strāva, ko šūna var atdot nepārtraukti bez pārkaršanas. Tas ir galvenais parametrs jaudīgām ierīcēm:

• Augststrāvas šūnas (25-45 A): elektroinstrumenti, jaudīgi elektrovelosipēdi
• Vidējstrāvas (10-20 A): roboti putekļsūcēji, elektroskūteri
• Zemstrāvas (5-10 A): lukturīši, power bank, portatīvie datori

Pastāv apgrieztā sakarība starp ietilpību un maksimālo strāvu: jo augstāka strāva — jo zemāka ietilpība, un otrādi. Sony VTC5A dod 25 A, bet tikai 2600 mAh. LG MJ1 dod 3500 mAh, bet tikai 10 A. Izvēle atkarīga no ierīces prasībām.

Kvalitatīvi zīmoli: kam uzticēties

Litija jonu šūnu pasaulē ir skaidra hierarhija. Kvalitatīvas šūnas ražo tikai dažas kompānijas:

Sony / Murata

Sony (šūnas tagad tiek ražotas zem Murata zīmola pēc akumulatoru biznesa pārdošanas) — pirmā komerciālā litija jonu akumulatora radītāji (1991). VTC sērija — leģenda augststrāvas šūnu vidū. Sony VTC5A un VTC6 joprojām ir kvalitātes un uzticamības etaloni.

Molicel (E-One Moli Energy)

Kanādas-Taivānas kompānija, kuras šūnas tiek izmantotas profesionālā aprīkojumā. Molicel P42A (21700) — viena no labākajām augststrāvas šūnām pasaulē: 4200 mAh pie 45 A nepārtrauktas izlādes. Tiek izmantota elektrovelosipēdos, elektroinstrumentos un sacīkšu dronos.

Samsung SDI

Lielākais šūnu ražotājs pasaulē. Plašs sortiments no augststrāvas (25R, 40T) līdz augstietilpības (50E). Stabila kvalitāte, plaša pieejamība.

LG Chem / LG Energy Solution

Otrais lielākais ražotājs. LG HG2, LG MJ1, LG M50 — populāri modeļi ar labu kvalitāti. Tiek izmantoti elektroauto, elektrovelosipēdos un sadzīves ierīcēs.

Panasonic

Japāņu kvalitāte. Panasonic NCR18650GA un NCR21700A — augstietilpības šūnas izcilā kvalitātē. Panasonic ražo šūnas Tesla (kopuzņēmums Gigafactory).

Viltojumi un kā tos atpazīt

18650 un 21700 šūnu tirgus ir pārpludināts ar viltojumiem. Īpaši tas attiecas uz populāriem modeļiem: Sony VTC, Samsung 25R/30Q, LG HG2. Viltotas šūnas ir bīstamas — tām ir pārspīlēti raksturlielumi uz etiķetes, reālā ietilpība var būt 2-3 reizes zemāka par deklarēto, un drošība ir apšaubāma.

Viltojuma pazīmes

• Cena pārāk zema. Kvalitatīva 18650 šūna no Samsung, Sony vai LG maksā 3-6 eiro. Ja jums piedāvā «Sony VTC6» par 1 eiro — tas ir viltojums.
• Nevienmērīga marķēšana. Oriģinālajām šūnām marķējums uzklāts ar lāzeru vai kvalitatīvu druku. Viltojumiem — bieži šķībs, izplūdis vai viegli nodzēšams ar pirkstu.
• QR koda vai sērijas numura trūkums. Oriģinālajām Samsung un LG šūnām ir individuāls QR kods. To var pārbaudīt ražotāja mājaslapā.
• Deklarētā ietilpība lielāka par fiziski iespējamo. 18650 šūna ar deklarētu 5000 vai 6000 mAh ietilpību — tas ir garantēts viltojums. Maksimālā 18650 ietilpība šobrīd ir aptuveni 3600 mAh.
• Svars. Kvalitatīva 18650 šūna sver 45-50 g. Viltojums var svērt 30-35 g — iekšpusē ir mazāk aktīvā materiāla.

Kur pirkt

Pērciet no autorizētiem izplatītājiem (Nkon, IMR Batteries, 18650 Battery Store) vai tieši no pārbaudītiem piegādātājiem. Izvairieties no lētām šūnām no AliExpress un eBay — viltojuma iespējamība ir ļoti augsta.

Drošība: termiskais izskrējiens

Litija jonu šūnas satur degošu elektrolītu. Bojājuma, pārlādes vai pārkaršanas gadījumā var notikt termiskais izskrējiens (thermal runaway) — ķēdes reakcija, kurā šūna strauji sakarst, uzpūšas un aizdegās vai eksplodē. Temperatūra termiskā izskrējiena laikā var sasniegt 600-1000°C.

Kas izraisa termisko izskrējienu

• Mehānisks bojājums. Caurdūriens, saspiešana, kritiena no augstuma — šūnas iekšējās struktūras bojājums izraisa īssavienojumu.
• Pārlāde. Uzlāde virs 4.2 V (NMC/NCA) noved pie metāliskā litija veidošanās uz anoda, kas var izraisīt iekšēju īssavienojumu.
• Ārējs īssavienojums. Šūnas kontaktu saslēgšana ar metāla priekšmetu (monēta, atslēgas kabatā ar neaizsargātu šūnu).
• Pārkaršana. Uzsildīšana virs 80-100°C var iedarbināt ķēdes reakciju.
• Nekvalitīva šūna. Ražošanas defekti, iekšēji piesārņojumi — tas viss palielina termiskā izskrējiena iespējamību.

Drošības noteikumi

• Nekad nenēsājiet neaizsargātas šūnas kabatā kopā ar metāla priekšmetiem.
• Glabājiet šūnas speciālos plastmasas konteineros.
• Nelādējiet šūnas bez BMS vai kvalitatīvas lādēšanas ierīces.
• Neizmantojiet šūnas ar bojātu apvalku (iespiedumi, iegriezumi, termoša plēves plīsumi).
• Atklājot šūnas uzpūšanos — nekavējoties izolējiet to un nododiet speciālā pieņemšanas punktā.

Bateriju komplektu komplektēšana un remonts SATER

Servisa centrs SATER specializējas akumulatoru bateriju komplektēšanā un remontā no kvalitatīvām šūnām. Mēs strādājam ar pārbaudītām šūnām: Sony/Murata VTC, Molicel, Samsung, LG, Panasonic.

Ko mēs darām:

• Elektroinstrumentu bateriju pārkomplektēšana (Makita, DeWalt, Bosch, Milwaukee, Hilti) — nolietoto šūnu nomaiņa pret jaunām kvalitatīvām.
• Robotu putekļsūcēju bateriju remonts — šūnu nomaiņa iRobot, Roborock, Xiaomi, Ecovacs paketos.
• Pielāgoti bateriju paketi — nestandarta bateriju komplektēšana specifiskiem uzdevumiem.

Mēs izmantojam kontaktmetināšanu (ne lodēšanu!) šūnu savienošanai — tas nodrošina uzticamu kontaktu bez šūnas pārkaršanas. Katrs pakets tiek komplektēts ar kvalitatīvu BMS.

Servisa centrs SATER darbojas Rīgā kopš 1993. gada — vairāk nekā 30 gadus vienā adresē, Silmaču ielā 6. Mums ir 186 atsauksmes Google ar vērtējumu 4.3★.