Jak funguje Li-ion akumulátorový článek

Moderní technologie jsou ve velké míře závislé na akumulátorových článcích. Kapacita článků určuje, jak dlouho bude naše zařízení nebo nářadí pracovat bez potřeby nabíjení. Zvýšení kapacity představuje výzvu, protože vyšší kapacita zvyšuje rizika – od přehřátí a chemické degradace materiálů až po fyzikální limity jejich stabilního provozu. Naši pozornost zaměříme na lithium-iontové akumulátorové články, které patří do skupiny sekundárních článků podíváme se blíže na princip jejich fungování a konstrukci.

Jsou známé svou vysokou energetickou hustotou a efektivitou, která je zajištěna elektrochemickými procesy probíhajícími během nabíjení a vybíjení. Tyto procesy zahrnují pohyb lithiových iontů mezi anodou a katodou přes elektrolyt a tvorbu elektrického proudu, který napájí zařízení.

Historie

Na začátku 20. století byl zaznamenán velký potenciál lithia jako materiálu, který tvoří hlavní složku článků. Tento chemický prvek, který disponuje nízkou hustotou a vysokým elektrochemickým potenciálem, začal být předmětem experimentování již v roce 1912 americkým chemikem a fyzikem Georgem Newtonem Lewisem.

První praktický pokus o vytvoření lithium-iontového článku však nastal až v roce 1979, kdy se profesoři John Goodenough a Kiochi Mizushima na Oxfordské univerzitě zaměřili na elektrochemický proces, kde se lithium mohlo ve formě iontů pohybovat mezi dvěma elektrodami.

Princip byl revoluční, neboť umožnil nabíjení a vybíjení bez velkých chemických reakcí, které by degradovaly materiály. Vývoj pokračoval a v roce 1991 uvedla společnost Sony na trh první komerční lithium-iontový akumulátor. Jeho výhody například oproti nikl-kadmiovým akumulátorům jsou:

• vyšší energetická hustota: umožňuje efektivnější využití energie k napájení výkonnějších zařízení
• hmotnost Li-ion článků: vzhledem k vyšší energetické hustotě, mají Li-ion články v porovnání s NiCd články při stejné kapacitě přibližně o 50% nižší hmotnost
• nízká míra samovybíjení: udržují si kapacitu i při dlouhodobém nepoužívání
• delší životnost: zvládají stovky nabíjecích cyklů bez výrazné ztráty kapacity
• absence paměťového efektu
• dopad na ekologii: ani lithium není neškodné, avšak kadmium jako těžký kov je velmi toxický pro životní prostředí a zdraví

Tento pokrok otevřel dveře masovému rozšíření Li-ion akumulátorů v různých segmentech průmyslu. Dnes jsou považovány za základní komponentu moderních zařízení.

Jak fungují Li-Ion baterie

Každý Li-ion článek obsahuje následující části:

Anoda (-) (obr. 1 A)
Anoda je záporná elektroda, obvykle vyrobená z grafitu. Během nabíjení absorbuje lithiové ionty a ukládá je mezi vrstvy grafitu (obr. 1 B).

Katoda (+) (obr. 1 C)
Katoda je kladná elektroda, vyrobená z materiálů na bázi oxidů kovů, např. oxid lithno-kobaltnatý nebo NMC (obr. 1 D). Jejím úkolem je během nabíjení uvolnit lithiové ionty (obr. 1 E) a během vybíjení je přijmout.

Elektrolyt (obr. 1 F)
Tekutina nebo gel, který zajišťuje přenos lithiových iontů mezi anodou a katodou. Elektrolyt obsahuje lithiovou sůl rozpuštěnou v organickém rozpouštědle.

Separátor (obr. 1 G)
Tenká porézní membrána, která fyzicky odděluje anodu a katodu. Zabraňuje zkratu, ale umožňuje průchod lithiových iontů.

Obr. 1. Složení Li-ion článku

Proces nabíjení (obr. 2)

Během nabíjení článek přijímá elektrický proud z externího zdroje - nabíječky a energie se uloží v chemické formě. Schéma s animací poskytuje detailní a přehledné znázornění celého procesu nabíjení akumulátoru. Tento proces zahrnuje:

1. Přesun lithiových iontů:
Lithiové ionty (Li⁺) se pohybují z katódy přes elektrolyt na anodu. Na anodě se interkalují (ukládají) mezi vrstvy grafitu, kde vytvářejí stabilní chemické vazby.

2. Pohyb elektronů:
Elektrony se přesouvají vnějším obvodem z katody (+) na anodu (-), protože elektrolyt neumožňuje přenos elektronů. Tento pohyb vytváří elektrický proud, který slouží k nabíjení článku.

3. Ukládání energie:
Energie se uloží v chemické formě vazbami mezi lithiovými ionty a uhlíkovými atomy v anodě (-).

Obr. 2. Proces nabíjení

Obr. 3. Proces vybíjení

Proces vybíjení (obr. 3)

Během vybíjení článek dodává energii uloženou v chemické formě do zařízení. Vybíjecí proces zahrnuje:

1. Přesun lithiových iontů:
Lithiové ionty se přesouvají z anody přes elektrolyt na katodu. Na katodě reagují s oxidy kovů (např. LiFeO6), což uvolňuje uloženou energii.

2. Pohyb elektronů:
Elektrony se přesouvají vnějším obvodem z anody na katodu, což generuje elektrický proud, který napájí zařízení.

3. Uvolnění energie:
Energie uložená v chemických vazbách se uvolňuje a přeměňuje na elektrický proud, který zařízení používá ke své činnosti.

4. Stabilizace procesu:
Jak se článek vybíjí, řídící obvody sledují napětí a zajišťují, že napětí neklesne pod bezpečnou hranici, což by mohlo článek poškodit.

Řídící elektronika

Obr. 4. Li-ion akumulátor HERMAN

Moderní Li-ion články obsahují řídící obvody, které sledují napětí, proud a teplotu, aby zabránily přehřátí nebo přebití, které by mohlo článek poškodit. V akumulátorech, které sestávají ze soustavy článků (obr. 4 A), je zpravidla řídící obvod pro všechny články a jejich součástí je i tzv. balancer, jehož úkolem je vyrovnávat napětí mezi jednotlivými články (obr. 4 B).

Tento proces zajišťuje rovnoměrné nabíjení a vybíjení všech článků, čímž se předchází jejich přetížení nebo nedostatečnému využití. Balancer prodlužuje životnost akumulátoru a zvyšuje jeho celkovou efektivitu tím, že zabraňuje nevyváženosti, která by mohla vést k degradaci článků nebo snížení celkové kapacity baterie.

Použití Li-ion akumulátorů v akumulátorovém nářadí

Li-ion akumulátory (obr. 5) našly široké uplatnění v akumulátorovém nářadí, které je dnes neodmyslitelnou součástí výbavy dílen, staveb či domácích kutilů. Jejich výhody, jako je nízká hmotnost, vysoká energetická hustota, dlouhá životnost a minimální samovybíjení , je činí ideální volbou pro různé typy nářadí. V naší nabídce naleznete nářadí s Li-ion akumulátory, které pokryje potřeby nejen náročnějších mistrů, ale i profesionálů.

Každý typ akumulátorového nářadí má specifické požadavky na výkon a kapacitu akumulátoru. Použití optimálního akumulátoru je klíčové pro zajištění správného fungování nářadí a dlouhodobé efektivnosti. Vhodná volba akumulátoru se odvíjí od parametrů, jako jsou napětí (V) a kapacita (Ah), které určují jeho výkon a výdrž.

Obr. 5. Akumulátory HERMAN

1. Akumulátorové šroubováky a rázové utahovače
Tato nářadí, například HERMAN AXS-1080 (vrtací šroubovák) a HERMAN AXI-1080 (rázový šroubovák), se používají pro méně náročné, ale časté úkony, jako je montáž nábytku nebo utahování šroubů. Pro tento typ nářadí postačují akumulátory s napětím 10,8V a kapacitou 2Ah. Vyšší napětí nebo kapacita by zbytečně zvyšovaly hmotnost a náklady, přičemž by nepřinesly zásadní výhody.

2. Akumulátorové pily
U nářadí, jako jsou HERMAN AXCS-1801 (okružní pila) nebo HERMAN AXRS-1800 (ocasní pila), je třeba zajistit dostatečný výkon zejména pro řezání tvrdých materiálů. Tato nářadí vyžadují akumulátory s napětím 18V a vyšším s kapacitou minimálně 4Ah, aby dokázaly zajistit dlouhý provoz bez přerušení. Použití slabších akumulátorů, například 10,8V / 2Ah, by bylo neefektivní, protože by nezabezpečily dostatečný výkon pro náročné úkoly.

3. Úhlové brusky a vrtací kladiva
Pro výkonné nářadí, jako jsou HERMAN AXAG-1800 (úhlová bruska) nebo HERMAN AXHD-1800 (vrtací kladivo), jsou zapotřebí akumulátory s vysokým výkonem a kapacitou. Typicky se využívají akumulátory s napětím 18V a kapacitou 5–8Ah, což umožňuje delší a intenzivnější práci. Slabší akumulátor by nedokázal zajistit dostatečný výkon.

Při výběru akumulátoru je důležité, aby odpovídal očekávanému použití nářadí:

• Poddimenzovaný akumulátor (např. nízké napětí nebo kapacita) může způsobit snížení výkonu a kratší dobu provozu.
• Předimenzovaný akumulátor (např. příliš vysoká kapacita u malého nářadí) může zvýšit hmotnost a snížit komfort při práci bez reálného využití dodatečného výkonu.

Optimální dimenzování akumulátoru pro konkrétní nářadí nejen zlepšuje efektivitu práce, ale také prodlužuje životnost samotného akumulátoru a nářadí. Proto doporučujeme vždy zvolit akumulátor, který je speciálně navržen pro konkrétní model nářadí a zároveň zvážit povahu a intenzitu plánované práce.

Prohlédněte si naši nabídku, kde naleznete akumulátorové nářadí přesně podle vašich potřeb!

Závěr

Li-ion články mají svá fyzikální a chemická omezení, která významně ovlivňují jejich kapacitu, životnost a bezpečnost. I když nové materiály, jako je křemíková anoda, pevnost katod a inovativní elektrolyty, přinášejí zvýšení kapacity, stále zůstávají předmětem intenzivního výzkumu.

Budoucnost akumulátorů spočívá v překonávání aktuálních limitů prostřednictvím nových chemických složení, např. solid-state, nebo prostřednictvím alternativních koncepcí, jako jsou články na bázi lithium-síra nebo lithium-vzduch.

Technologický pokrok je nezbytný nejen pro výkonnost a efektivitu, ale také pro udržitelnost a minimalizaci environmentálních dopadů. Spotřebitelé by se měli zaměřit na správné používání a údržbu akumulátorů, aby maximalizovali jejich životnost a efektivitu.

Tématu fyzikálních a chemických omezení, správné údržby a použití Li-ion akumulátorů se budeme věnovat v našich budoucích článcích.

Klíčová slova: Li-ion akumulátory, Li-ion baterie, nabíjení, akumulátor, akumulátorové nářadí, HERMAN Battery Li-ion

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN
https://letstalkscience.ca/educational-resources/stem-explained/how-does-a-lithium-ion-battery-work
https://www.tycorun.com/blogs/news/the-market-size-of-lithium-battery-structural-parts-in-china
https://sk.jingsun-power.com/info/lithium-battery-power-generation-principle-81498947.html
https://www.energy.gov/energysaver/articles/how-lithium-ion-batteries-work
https://www.evlithium.com/Blog/imr-icr-inr-ifr-18650-battery-differences.html

Mgr. Peter Halaj

Práce ve firmě je mým prvním zaměstnáním a již téměř 25 let nic lepšího neznám. Začínal jsem v montérkách jako technik pro záruční a pozáruční opravy HERMAN nářadí, několik let jsem řídil úsek servisu, pak jsem se zakousl do logistiky, IT, programování a také se zabývám manažmentem kvality. Nabyté zkušenosti uplatňuji v současnosti při neustálém vylepšování a zdokonalování interních procesů a služeb pro zákazníka. Hlavu si rád „pročistím“ při manuální práci ve své dílně nebo v sedle kola hltáním nesčetných kilometrů u nás na Gemeru a okolí.