Overview of Lithium Ion accu's

Het laden en ontladen van accu's is normaal gesproken een chemische reactie waarbij een electroliet het transportmedium vormt tussen de beide elektroden van de accu. De lading in Ah (=capaciteit) van de accu uit zich in verandering van de chemische samenstelling van de beide elektroden. Het ontladen vindt plaats in omgekeerde richting. De karakteristiek van dit type accu's laat een toenemende spanning zien over de laad looptijd van de accu met een in dezelfde tijd afnemende laadstroom. Heeft de stroom een waarde bereikt van een 0,1 C bij een afgevlakte laadspanning dan is de accu "vol".

Reaction

Een Li-Ion accu werkt op basis van een ander principe. De capaciteit toe- of afname van de Li-Ion accu vindt plaats door verplaatsing van ionen tussen anode en kathode van de cel.

De meest gebruikte Li-Ion accu is opgebouw uit een litium-kobalt kathode en een koolstof anode. Als transportmedium wordt gebruik gemaakt van een organisch oplosmiddel als electroliet. Voor de liefhebbers is de reactie vergelijking in nevenstaad figuur weergegeven.

Li-Ion accu's hebben belangrijke voordelen ten opzichte van bestaande accu's. De meest interessante is wel de hoge energie-dichtheid en de grote laad- en ontlaadstromen. Daarnaast heeft een enkele cell een hoge spanning die varieert tussen de 3.6 en 3.7 volt.

Li-Ion accu's  hebben naast bovenstaande voordelen enkele bijzonderheden waar absoluut rekening mee moet worden gehouden omdat anders brand en/of explosie gevaar dreigt. Om deze redenen zijn deze accu's dan ook voorzien van een aantal beveiligingsmaatregelen, maar daarover later meer. Punten om rekening meet tehouden zijn:

  • De laadspanning mag nooit boven de 4,2 volt per komen omdat anders de interne druk te hoog kan oplopen.
  • De diep-ontlaadspanning mag niet beden de 2,6 volt per cel geraken omdat anders elektrode-schade kan ontstaan.
  • De maximale laad- en ontlaadstroom mag niet overschreden worden. KORTSLUITING MOET VOORKOMEN WORDEN!!!! De interne temperatuur loopt anders te hoog op met schade aan de accu als gevolg (als niet voor die tijd de beveiliging in werking treed).
  • De omgevingstemperatuur mag niet steigen boven 75 C0
  • Mechanische vervorming van de cellen kan brand en/of explosie veroorzaken.
  • Twee of meer cellen in serie schakelen vraagt zeer speciale aandacht. 

Batterij opbouw

Opbouw van de cilindervormige batterij

De primare vormen waarin de Li-Ion accu's voorkomen zijn het prisma-type en het cylindrische type.

Het prisma type, vindt vooral toepassing in apparaten die dun moeten zijn zoals cell-phones, speelgoed, fototoestellen enz. De primaire vorm is een als het ware plat doosje met drie contacten, de plus en min contacten en als derde contact de naar buiten gebrachte interne temperatuurvoeler.

De cilindervormige Li-Ion cell worden vooral daar toegepast waar hoge capaciteit gewenst is de ruimte niet directe een probleem vormt zoals lap-top's ect.

De positieve en negatieve elektrode(n) van de cell, gescheiden door een zeer dunne polymeer film, zijn opgerold en in een buisje geplaatst gevuld met elektroliet.

Voor de veiligheid in abnormale omstandigheden is aan de plus kant van de cell een PTC aangebracht. De PTC incorporeert de functie van beveiliging tegen te hoge stromen en hoge temperaturen.

VeiligheidsventielAls de stroom (laad -ontlaad) door de PTC to groot wil worden neemt de weerstand van de PTC door warmte ontwikkeling toe tot waarden van tegen 10K ohm waarmee de stroom door de cell wordt begrensd. Bij kortsluiting van de cell zal de PTC reageren met met "doorslaan" van de zekering in de PTC, waarmee de cell voor altijd onbruikbaar is.

Naast de PTC is er ook een "current interrupt device" CID aangebracht gecombineerd met een druk-release ventiel. Dit onderdeel zal de laadstroom stoppen als de druk in de cell te hoog oploopt en het release-ventiel aanspreekt. Ook in dit geval zal de cell definitief onbruikbaar worden. Hoewel.... In Funschau van mei 2013, "Nutzung alter LiIon-cellen und LiIon-accumulatoren" wordt in een artikel beschreven hoe oude Li-Ion cellen toch nog aan een tweede leven kunnen beginnen. Dit artikel, compleet met laadelektronica, geeft een goed inzicht met welke veiligheidsaspecten rekening moet worden gehouden.

Charge - Discharge

Normaal zal een Li-Ion accu worden opgeladen met de constant current - contant voltage Charge Characteristic(CC-CV) methode. De CC-CV laadmethode verlangt van de laders een controle op de MAX-laadspanning die normaal gesproken 4,2 volt bedraagt +/- 0,03 volt. Nevenstaand is de laadgrafiek afgebeeld van een Li-IOn cel.

Wanneer de cel wordt opgeladen met CC-CV (1C-4,2V) dan bereikt de cel in +/- 50 minuten de control voltage van 4,2 V. Op dit punt gaat de lader dan over in CV-charching waarbij de spanning op 4,2 Volt wordt gehouden. De laadstroom zal dan over de tijd in grootte afnemen. In ongeveer 2,5 uur is de laadcyclus dan compleet.

In onderstaande grafiek is heDischarge Characteristict verband weer gegeven tussen enerzijds de spanning en anderzijds de cel-capaciteit bij verschillende stroomwaarden. Goed te zien is dat de cel-spanning over een breed bereik vrijwel constant blijft. Voor de cell uitgebeeld in de karakteristiek blijkt dat de standard ontlaadstroom ca !C is en dat een pulsontlading kan worden toegalten van max 2C.

 

 

 

 

 

Meer informatie is te vinden in: