Litio baterijos veikimui reikia trijų pagrindinių sudėtinių dalių – anodo, katodo ir elektrolito, kurios turi veikti sinchroniškai, kad baterija sėkmingai veiktų ir parodytų gerą našumą. Šiuolaikiniai anodai dažniausiai pagaminti iš grafito, nes jie gali laikyti litio jonus, kai baterija įsikrauna. Būtent ši gebėjimas kaupti daug jonų suteikia litio baterijoms puikų energijos tankį, todėl jos puikiai tinka, pavyzdžiui, dideliems nešiojamiesiems energijos šaltiniams, naudojamiems kelionėse ar laisvalaikiui gamtoje. Jei kalbėtume apie katodus, tai dažniausiai jie sudaryti iš skirtingų litio metalo oksidų rūšių. Paplitę yra litio kobalto oksidas ir litio geležies fosfatas. Šių medžiagų ypatumas tas, kad jos padeda padidinti bendrą sukauptos energijos kiekį ir kartu užtikrina stabilumą net esant temperatūros pokyčiams ar naudojimo režimo svyravimams.
Baterijose elektrolitas veikia kaip kanalas, kuriuo litio jonai keliauja pirmyn ir atgal tarp teigiamojo ir neigiamojo elektrodų. Dažniausiai pagaminamas iš litio druskų, ištirpintų organiniuose tirpikliuose, šios mišinio stabilumo išlaikymas esant skirtingai temperatūrai tiesiogiai veikia tiek baterijos tarnavimo laiką, tiek jos saugumą naudojimo metu. Elektriniams automobiliams ar elektros tinklų masto saugykloms išlaikyti tokį cheminį stabilumą tampa būtina, nes niekas nenori, kad įrenginys ar sistema po kelių mėnesių kasdienio naudojimo sugestų. Visos šios dalys turi tinkamai veikti kartu, kad mūsų telefonai visą dieną išliktų įkrauti, medicinos įranga veiktų patikimai, o atsinaujinančių energijos šaltinių kaupiamos elektros energijos būtų galima panaudoti tada, kai jos labiausiai reikia.
Separatorius svarbus vaidmuo leidžia litio baterijoms išlikti saugiomis ir tinkamai veikti. Pagrindinė jo funkcija – neleisti baterijos teigiamai ir neigiamai daliai liesti viena kitos, nes kitaip kiltų pavojingų trumpųjų jungimų ir galėtų sugesti visa baterijų grandinė. Daugelyje separatorių šiandieną naudojami plastikai, tokie kaip polietilenas arba polipropilenas. Šie medžiagos leidžia litio jonams laisvai judėti per jas, tačiau sulaiko elektronus. Taip pat jos padeda išvengti nepageidaujamų dendritų susidarymo baterijoje. Dendritai atrodo kaip mažyčiai medžiai, augantys per separatorių, o jei jie tampa per dideli, gali iš tiesų pradurti skyles medžiagoje, sukeldami rimtų problemų.
Separatorių kokybė yra labai svarbi gamybos sektoriuje, tai patvirtina daugybė tyrimų bei pramonės atšaukimų, kuriuos per metus sukėlė defektūs separatoriai. Visgi išlaikyti tinkamą balansą, kai jonai gali laisvai judėti, bet nenukentėtų saugumas, išlieka labai svarbu. Gaminant ilgaamžiškas ir gerai veikiančias baterijas, investuoti į kokybiškas separatorių medžiagas jau nebėra pasirinkimas. Tai iš esmės yra geras verslo sprendimas. Šie separatoriai dirba ne tik kaip statiniai komponentai – jie yra kritiškai svarbūs visų tipų energijos kaupimo sistemose. Galvokite apie saulės elektrines arba apie tuos mažus nešiojamus įkroviklius, kuriuos žmonės dabar nešiojasi visur. Be tinkamų separatorių, šios technologijos negalėtų ilgalaikai ir saugiai veikti.
Ličio baterijos veikia todėl, kad ličio jonai juda pirmyn ir atgal tarp anodo ir katodo. Kai įvyksta įkrovimas, šie jonai keliauja nuo anodo iki katodo, kur kauptasi energija. O kai reikia energijos, jie grįžta atgal į anodą, kurdami elektrinę energiją. To visa šios mainų kokybė nulemia, kiek gerai veikia baterija apskritai. Tyrimai rodo, kad užtikrinti sklandžią jonų judėjimą yra esminis skirtumas, kuris leidžia maksimaliai išnaudoti bateriją, kol ji pradės blogėti. Kuo geresnis jonų judėjimo intensyvumas, tuo ilgiau tarnauja baterija ir patikimesnė ji tampa. Todėl šiuolaikinės technologijos vis dažniau pasirenka ličio technologijas savo energijos poreikiams.
Redokso reakcijos, t. y. cheminės medžiagos pokyčiai, kai medžiagos yra redukuojamos arba oksiduojamos, vyksta litio baterijose ir leidžia joms atiduoti energiją. Paprastai tokios reakcijos vyksta abiejuose baterijos galuose – anode ir katode – tuo metu, kai juda elektronai ir litio jonai keliauja pirmyn ir atgal. Gerai suprasti, kaip vyksta šios reakcijos, yra labai svarbu kuriant geresnes baterijų medžiagas, kurios galėtų efektyviau kaupti energiją. Mokslininkai jau daug metų pastebi, kad būtent tinkama chemija leidžia kurti naujas baterijų technologijas, apie kurias nuolat girdime. Geriau supratus redokso reiškinius, baterijos tampa geresnės jau šiandien ir atsiveria galimybės dar įdomesnėms inovacijoms artimiausioje ateityje tiek mūsų elektronikai, tiek elektriniams automobiliams.
Baterijos valdymo sistemos arba BVS yra labai svarbios, kad būtų užtikrinta litio jonų baterijų stabilumas, nes jos stebi įtampą kiekvienoje atskiroje elementų (baterijų) ląstelėje. Kai šis stebėjimas atliekamas tinkamai, visos ląstelės išlaikomos saugiose ribose, kurios turėtų būti, neleidžiant pernelyg įkrauti, dėl ko baterijos našumas laikui bėgant prastėja ir galiausiai mažėja jos tarnavimo laikas. Vienas svarbiausių BVS funkcijų vadinamas ląstelių balansavimu. Paprastai tai reiškia, kad visos ląstelės turi būti užtikrintos apytiksliai tokia pat įkrovos kiekiu. Daugelis gamintojų pastebėjo, kad kai ląstelės tinkamai subalansuotos, visa baterijų pakopa tampa ilgaamžiškesnė ir nuosekliai geriau veikia visą savo gyvavimo ciklą. Kai kurios studijos netgi teigia, kad tinkamas balansas gali pagerinti bendrą baterijos efektyvumą apie 15% realiomis sąlygomis.
Tyrimai rodo, kad tinkamai subalansavus elementus, baterijos paprastai tarnauja apie 25 % ilgiau nei tos, kurios neturi šios savybės. Todėl šiuolaikinėmis dienomis svarbu įdiegti baterijų valdymo sistemas (BMS), ypač tiems moderniems litio elementams, kuriuos matome visur – nuo elektrinių automobilių iki saulės energijos kaupimo sprendimų. Kai įtampa veiksmingai stebima ir elementai išlaikomi subalansuoti, tai tikrai daro įtaką šių energijos kaupimo sistemų patikimumui ir našumui. Paimkime, pavyzdžiui, perkeltasias energijos stotis – jos veikia geriau ilgesnį laiką, nes jų vidiniai komponentai nuolat nesikova vienas su kitu.
Temperatūros valdymas yra viena iš svarbiausių užduočių, kurią atlieka baterijų valdymo sistemos (BMS), kad užtikrintų saugumą. Šios sistemos turi integruotus daviklius, kurie nustato, kada baterijos pradeda pernelyg įkaiti viduje, o tada įjungia reguliatorius, kad perkeltų šilumą į kitą vietą arba pašalintų ją visiškai. Baterijų temperatūros palaikymas optimaliame lygyje yra labai svarbus jų veikimo efektyvumui ir saugumui. Daugelyje atvejų baterijos geriausiai veikia esant temperatūrai nuo 0°C iki 45°C. Tačiau kai temperatūra pernelyg pakyla, baterijos veikia neefektyviai. Ir jei kalbėsime atvirai, pernelyg aukšta temperatūra gali sukelti baterijų visišką gedimą, ko niekas nenori, ypač kritinėmis situacijomis, tokiose kaip avarinės energijos atkūrimas.
Efektyvios termalios reguliacijos yra pagrindinis būdas išvengti termalinių nuožolių, kurie yra vienas iš pagrindinių priežasčių, keliančių batarijų ugnis, dažnai susijusias su elektroninių dviračių batarijomis ir kitais lietinio jonų taikymais. Tyrimai pabrėžia svarbą termalinei reguliacijai rizikų mažinimo procese, akcentuodami gerai veikiančio BMS vaidmenį batarijos saugumo scenarijuose.
Baterijų valdymo sistemos (BMS) yra aprūpintos svarbiomis apsaugos priemonėmis nuo pernelyg įkrovimo ir gilaus išsikrovimo. Daugelyje šiuolaikinių BMS konstrukcijų iš tiesų yra dviejų rūšių pertraukikliai – vieni fiziškai sustabdo procesą, kai reikia, o kiti tiesiog sulėtina veiksmus, kol situacija dar nėra kritiška. Tokios saugos priemonės yra labai svarbios ilgalaikėms baterijų sveikatai išlaikyti ir naudotojų apsaugai. Pagalvokite, kas atsitinka, kai telefono baterija perkaista – ji gali užsidegti! BMS veikia kaip ankstynojo įspėjimo sistema, kuri pažeidimus aptinka dar prieš juos virstant didelėmis avarijomis, tokiose kaip išsipūtusios baterijos arba visiškas sistemos sugedimas.
Skaičiai patvirtina, kokie iš tiesų geri yra šie apsaugos sistemos. Pagal įvairius pramonės tyrimus, baterijos su patikimomis BMS konfigūracijomis tiesiog rečiau sugenda. Tai logiška, nes stebėjimo sistema aptinka problemas dar prieš jos tampa rimtomis. Ilgalaikiam patikimumui įvertinus, investicijos į kokybišką BMS technologiją atsiperka tiek saugumo, tiek eksploatacijos trukmės požiūriu. Tai ypač akivaizdu saulės energijos kaupimo sprendimuose, kur prastovos kainuoja pinigus, taip pat ir įtemptose lauko naudojimo elektros tiekimo sistemose, kurios būna reikalingos stovyklavimo arba avarinėmis situacijomis.
Šiandien litio baterijos gali sutalpinti daugiau energijos mažesnėse vietose lyginant su senesnėmis baterijų rūšimis. Dėl to jos puikiai veikia nešiojamuose energijos šaltiniuose, kuriuos žmonės dabar naudoja visur. Kadangi jos užima mažiau vietos, gamintojai gali jas integruoti į įvairius prietaisus ir įrangą. Galvokite apie elektrinius automobilius, žygių įrangą, netgi atsarginius namų energijos šaltinius, kai nutrūksta elektros tiekimas. Pagal kai kuriuos rinkos tyrimus, litio baterijos išlaiko apie dešimt kartų daugiau įtampos nei standartinės švino rūšies baterijos. Tai logiška, kai įvertinama, kiek geriau jos veikia visuose elektros kaupimo aspektuose.
Litio baterijos gali išlaikyti tūkstančius įkrovimo ir iškrovimo ciklų, kol pradeda dėvėti, kartais pasiekiant apie 5000 ciklų, kol reikia keisti. Kadangi jos taip gerai laikosi, šios baterijos puikiai tinka saulės energijos kaupimui. Ilgesnis tarnavimo laikas reiškia, kad namų savininkai ir verslo įmonės nereikalauja dažnai keisti baterijų, o tai ilgainiui sutaupo pinigų. Daugelis žmonių, kurie pereina prie litio savo saulės sistemoms, praneša, kad atsipirko pradinę investiciją greičiau nei tikėjosi. Ši patikimumo ir kainos efektyvumo kombinacija daro litio baterijas protingu pasirinkimu bet kam, kuris svarsto ilgalaikius energijos kaupimo sprendimus, ypač derinant su saulės baterijomis.
Norint iš viso labiau išnaudoti litio baterijas, svarbu turėti protingą įkrovimo praktiką. Kai žmonės laikosi pagrindinių taisyklių, tokių kaip naudoti tinkamą įkroviklį įrenginiui ir laikyti baterijas atokiai nuo per karštų ar šaltų aplinkų, jie dažnai gauna kur kas geresnių rezultatų ilguoju laikotartpiu. Tyrimai iš tiesų parodė, kad lėtesnis įkrovimas padeda baterijoms tarnauti ilgiau ir išlaikyti gerą našumą visą jų naudojimo ciklą. Daugelis baterijų vadovų nuolat kartos tą pačią mintį apie tai, kiek svarbūs yra reguliariai įkrovimo įpročiai, siekiant maksimaliai išnaudoti baterijų galimybes. Šių paprastų metodų naudojimas yra protingas tiek ekonomiškai, tiek ekologiškai. Galų gale, kai nešiojamieji energijos šaltiniai tarnauja ilgiau, vartotojai sutaupo pinigų keičiant įrenginius ir mažėja atliekų kiekis – tiek išmaniuosiuose telefonuose, tiek avarinėse atsarginėse energijos sistemose, kurios priklauso nuo patikimos baterijų saugojimo technologijos.
Saugos taisyklės yra labai svarbios, kad būtų sustabdytas terminis nekontrolavimas, kuris išlieka viena didžiausių problemų, susijusių su litio baterijomis. Vartotojai turėtų laikytis tik su tinkamai sertifikuotais įkrovikliais ir užtikrinti, kad baterijos būtų laikomos tinkamai, kad jos nenukristų arba nebūtų sutraiškytos. Daugelis problemų atsiranda tiesiogiai dėl netinkamo baterijų saugojimo namuose, dažnai šalia šilumos šaltinių arba drėgnose vietose. Tačiau realybėje yra įdomus faktas – kai žmonės iš tikrųjų laikosi šių pagrindinių gairių, nelaimingų atsitikimų skaičius smarkiai mažėja. Energijos kaupimo sprendimus kuriančioms įmonėms, realybėje orientuotų saugos procedūrų kūrimas jau nėra tik atitikimas reikalavimams. Tai tampa būtina, kad būtų užtikrintas pasitikėjimas rinkoje ir kad būtų apsaugoti tiek vartotojai, tiek objektai nuo galimų pavojų.
Puikiai supratus, kaip veikia litio baterijos, valdant energiją, pvz., energijos tinkluose ir mobiliuosiuose įrenginiuose, atsiranda tikra nauda. Kai įmonės taiko metodus, tokiais kaip energijos apkrovų prognozavimas ir įkrovimo ciklų optimizavimas, jų energijos kaupimo sistemos tampa kur kas efektyvesnės. Tai reiškia, kad jos gauna daugiau naudos už pinigus, o iš viso švaistoma mažiau energijos. Pažvelkite į tai, kas šiuo metu vyksta rinkoje – įmonės, kurios iš tikrųjų įgyvendina šiuos metodus, praneša apie iki 30 % geresnius našumo rodiklius. Įdiegus šias idėjas esamuose energijos valdymo sistemose, įmonės gali išnaudoti visas litio baterijų galimybes. Rezultatas? Energijos kaupimo sprendimai, kurie ne tik spėja pasivyti augantį paklausą, bet ir atlaiko laiko patikrą be netikėtų gedimų.