Lithium-polymerové (Li-Po) baterie – jak fungují?

Adekvátní napájení v robotice je nesmírně důležitou otázkou, kterou stojí za to se blíže zabývat. Ve většině případů se robotici rozhodují pro lithium-polymerové bateriekteré se vyznačují vynikajícími výkonnostními vlastnostmi, včetně vysoké odolnosti a bezpečnosti používání, a také tím, že nemají nepříjemný paměťový efekt. Akumulátor je druh sekundárního článku zařízení, který lze po vybití dobíjet elektrickým proudem správné intenzity. Zajímavou vlastností dobíjecích baterií je, že k uvolňování elektrické energie dochází prostřednictvím chemických reakcí vhodných pro daný typ baterie. V tomto návodu se dozvíme, co je to lithium-polymerová baterie, jaké funkce plní a proč je zdaleka nejoblíbenější baterií pro robotiky.

Typy baterií na trhu

Výrobci se snaží zavádět nové nápady, které by (alespoň v záměru) měly z trhu vytlačit řešení předchozí generace. Není proto divu, že v sortimentu mnoha obchodů lze nalézt různé typy baterií, které se liší především způsobem uvolňování energie a kapacitou vyjádřenou v ampérhodinách nebo miliampérhodinách. Stojí za zmínku, že baterie jsou běžně označovány jako elektrické články, které se používají k napájení elektronických zařízení. Na rozdíl od baterií jsou na jedno použití. Jaké typy baterií jsou tedy k dispozici?

• Olověný kyselinový akumulátor, používaný především v automobilovém průmyslu, se vyznačuje velmi nízkými výrobními náklady ve vztahu k jedné ampérhodině, velkou vlastní hmotností a schopností vybíjení velkým proudem po krátkou dobu. V tomto akumulátoru nalezneme kyselinu sírovou (37 %), olověnou elektrodu (-) s velkým povrchem styku (ve tvaru mřížky) a elektrodu (+) z oxidu olovnatého, stejně jako izolační separátor.
• Lithium-iontová baterie je v každodenním životě nejběžnější, protože se nachází prakticky v každé elektronice, jako jsou notebooky, mobilní telefony a další přenosná zařízení. Lithium-iontová baterie má vnitřní elektrodu, která je vyrobena z uhlíku s porézním povrchem, zatímco druhá elektroda je vyrobena z oxidů kovů. Jako elektrolyt se používá kapalina s lithiovými solemi, případně pevná látka. Ve srovnání se starší generací baterií nemá lithium-iontová varianta paměťový efekt (snížení kapacity baterie).
• Nikl-kadmiová baterie. Zdaleka nejvzácnější forma dobíjecí baterie v moderním světě, především kvůli intenzivnímu paměťovému efektu, který vyžaduje, aby uživatel vždy dokončil cykly nabíjení a vybíjení. Tyto články se vyskytují především v malých dobíjecích bateriích typu AA a AAA, protože i přes nevýhody má nikl-kadmiová baterie dobrou proudovou kapacitu. Elektrody jsou vyrobeny z hydroxidu nikl-kadmia, zatímco elektrolyt je silně alkalický, ale jeho složení se u různých výrobců značně liší.
• Nikl-metal hydridová baterie (NiMH) je o něco lepší verzí nikl-kadmiové baterie a vyznačuje se dlouhou životností a vysokou hustotou (až 360 MJ/m3). V jedné baterii je uloženo až třikrát více energie než v předchozí generaci baterií a byl také (téměř zcela) odstraněn paměťový efekt, nicméně se zvýšil efekt líné baterie.
• Lithium-polymerová (li-pol) baterie se vyznačuje kombinací všech pozitivních vlastností výše uvedených baterií, proto stojí za to si ji rozebrat a seznámit se s její konstrukcí, vlastnostmi, fungováním a funkčností.

Jak je lithium-polymerová baterie konstruována?

Na začátku je třeba vědět, že lithium-polymerová baterie je variantou lithium-iontové baterie a liší se od ní pouze elektrolytem, který je v lithium-iontové verzi tekutý, zatímco polymer je pevný nebo gelový. Výhody této formy baterie vedly k jejímu širokému využití v robotice a zařízeních každodenní potřeby a jejích vlastností denně využívají miliony spotřebitelů.

Jak vypadá konstrukce baterie? Článek lithium-polymerové baterie se skládá výhradně z vodivých polymerů a kovového lithia, které jsou uzavřeny pevně laminovaným povlakem. Na přední straně najdete dva vývody, a to anodu ze sloučenin grafitu (+) a katodu ze sloučenin lithia (-). Elektrolyt si díky své pevné nebo gelové formě zachovává svou původní podobu bez ohledu na situaci, a proto je jeho použití bezpečné a je mnohem méně pravděpodobné, že dojde k jeho úniku.

Celá li-po baterie se skládá z jednoho nebo více článků, proto se jednotlivé modely liší jejich počtem, a tedy i vnější velikostí a kapacitou. Článek je součástí sady, která může obsahovat až 10 jednotlivých lithium-polymerových článků.

Sada je celá baterie, která se skládá z více než jednoho článku. V robotice se nejčastěji používají baterie ve dvou- nebo tříčlánkové variantě a pro konstruktéry se ukazuje jako užitečné mít k dispozici přídavný balanční konektor, který obsahuje přívody od všech článků jednotlivě. To zjednodušuje práci spojenou s vytvářením high-tech návrhů.

Bezpečnost při používání li-po baterií

Lithium-polymerová baterie je materiál, který může poměrně snadno vytéct, což může vést k výbuchu nebo úniku. Vzhledem k tomu, že polymerní elektrolyt je pevný nebo gelový, jsou takové nehody nutně mnohem vzácnější než u baterií, kde je elektrolytem kapalina. Životnost li-po baterií je ovlivněna především způsobem jejich používání.

Snížení cílové kapacity může mimo jiné způsobit vybití článků na napětí nižší než 3 V, což ve většině případů vede ke zhoršení provozu. O něco nebezpečnější je případ přebíjení (nad 4,2 V). Při nabíjení příliš vysokým proudem dochází k poškození článků, což se mimo jiné projeví jejich nabobtnáním, které může jednoduše vést ke vznícení. Ačkoli tato situace nastává mnohem méně často, především díky neustálému sledování procesu nabíjení vhodnou nabíječkou, přesto se na ni vyplatí připravit. Příčinou vznícení může být v tomto případě nesprávné nastavení nabíjecího proudu nebo použití osobně vyrobené nabíječky. U lithium-polymerových baterií je velmi důležitý nabíjecí a vybíjecí proud.

Největší hrozbou jsou však mechanické problémy. Zapálení baterie může způsobit malý zkrat na přívodech nebo typické mechanické poškození laminátu, které ve většině případů vede k požáru, a tím k mnoha nebezpečným následkům. Nejmenším problémem bude zničení baterie, zatímco největším problémem bude zapojení požáru v prostorách nebo rozestavěné konstrukci.

Jakýkoli zkrat je velmi nebezpečný a je třeba se mu vždy důsledně vyhnout. Pokud k němu náhle dojde, probíhá v baterii velmi rychlý proces vybíjení, který má za následek zvýšení teploty a uvolnění velmi velkého množství energie, kterou nelze ochladit. Výsledkem může být vznícení. Je však důležité vědět, že vznícení není způsobeno pouhou jiskrou – zkrat musí být trvalý a nepřetržitý.

Ke zničení lithium-polymerových baterií může někdy dojít i v důsledku jejich nesprávného použití. Poškození může být způsobeno mimo jiné nesprávným připojením baterie k přijímači, což okamžitě poškodí značnou část desky plošných spojů a způsobí dlouho trvající zkrat, který vede ke vznícení. Nejzávažnějším poškozením je však fyzické proražení pláště baterie. To má za následek okamžité uvolnění energie a rychlé vznícení doprovázené kouřem.

Označení li-po baterie

Každá li-po baterie je přesně popsána několika parametry, které je vhodné vzít v úvahu při nákupu konkrétního modelu. Parametry baterie slouží k tomu, abychom mohli snadno určit vhodnost konkrétní baterie v našem případě, jsou většinou přesné a jejich hodnoty se neliší od skutečných. Mezi nejdůležitější označení baterií patří určitě:

• Kapacita – parametr, který je pro robotiku nejdůležitější a vyjadřuje se v miliampérhodinách (mAh) nebo ampérhodinách u mnohem větších modelů (Ah). Tento údaj nám přímo říká, jak dlouho můžeme z plně nabité baterie odebírat proud při správné intenzitě proudu.
• Počet článků – to je jeden z nejdůležitějších parametrů každé lithium-polymerové baterie. Ve většině případů výrobci počet článků popisují číselně a spojují jej s písmenem S nebo P. Písmeno S označuje články zapojené sériově, zatímco P označuje články zapojené paralelně. Zajímavé je, že mnoho variant může tyto dva typy kombinovat. Například 2P označuje akumulátor se dvěma články zapojenými paralelně, zatímco 4S označuje akumulátor se čtyřmi články zapojenými sériově. Sada čtyř článků zapojených sériově a dvou paralelně se označuje jako 4S2P.
• Nabíjecí proud – tento parametr obvykle určuje maximální proud, kterým lze danou baterii nabíjet, a vyjadřuje se vzorcem xC, kde x je násobitel. To nám umožňuje snadno vypočítat nabíjecí proud způsobem odpovídajícím našim předpokladům.
• V parametru proudové kapacity, označeném písmenem C a příslušným číslem v krocích po 5, můžeme zjistit maximální proud, který lze z baterie odebírat. Číslo před písmenem C je stejně jako u výše uvedeného parametru násobitelem, který umožňuje rychlý výpočet skutečné kapacity v ampérech. Výrobci také používají rozsahy, např. 35-45C, což znamená, že baterie vydrží dočasné zvýšení proudu až do hranice 45C.

Napětí baterie li-po

Proudová účinnost li-po článků je velmi vysoká (přibližně dvakrát vyšší než u niMH baterií), takže vysoké účinnosti je dosaženo při relativně malých vnějších rozměrech. Články mají jmenovité napětí vždy 3,7 V a pak pracují nejefektivněji, tj. nejdéle. Maximální hodnota článku je 4,2 V (nesmí být v žádném případě překročena) a nejnižší hodnota je 3 V. Pod touto hodnotou akumulátor ztrácí své parametry. Lze je však obnovit pomocí speciálního typu nabíječky, která baterii dobíjí velmi nízkým proudem.

V robotice se setkáváme především s články zapojenými sériově, méně často s články zapojenými paralelně. Ty umožňují měnit jmenovité napětí v závislosti na počtu paralelně zapojených článků. Například u sady 3S3P bychom získali jmenovité napětí přibližně 11,1 V.

Velmi často se ukazuje, že velkým problémem je nerovnoměrné napětí v článku, kterému se říká nevyváženost. Velmi často se stává, že napětí jednoho článku může být velmi blízko nebezpečné hranici 3 V. Když jmenovité napětí v článku klesne pod tuto hodnotu, baterie selže, aby v určitém okamžiku dosáhla hodnoty 0V. Důležité je, že jediný vadný článek může vyřadit z provozu celou sadu, která se může skládat z několika jednotlivých článků. Případy tohoto typu jsou velmi časté, proto se používají specializované balancéry, které snižují riziko jejich výskytu.

Co je balancer?

Balancer je elektronická součástka, která umožňuje kontrolovat napětí každého článku zvlášť. Balíček složený ze 2 nebo více článků obsahuje 2 konektory – jeden pro měření napětí na celém balíčku (zapojeném do série) a druhý, v podobě balančního konektoru, pro kontrolu každého článku zvlášť. Právě tento prvek je schopen zachránit pack před nerovnoměrným napětím. Balancéry se obvykle nacházejí ve všech nabíječkách na trhu.

Jak vypadají nabíječky li-po baterií?

Nabíječky pro li-po baterie jsou mnohem složitější než nabíječky pro jiné typy baterií. Nabíjejí se metodou CC/CV, která zahrnuje rychlý nárůst napětí na maximální úroveň při konstantním nabíjecím proudu. Jakmile napětí na každém článku dosáhne 4,2 V, nabíjecí proud se postupně snižuje. Nabíječky jsou obvykle napájeny síťovým napětím 230 V 50 Hz, takže většinou nevyžadují žádné další napájení.

Na trhu se setkáme také s mikroprocesorovými nabíječkami, u nichž je za řízení toku proudu zodpovědný integrovaný obvod v podobě mikroprocesoru. Takové varianty nabíječek si oblíbili profesionální roboti. Nabízejí další funkce, jako je možnost volby proudu a napětí nebo nabíjení s balancerem či bez něj. Obvykle tato forma nabíječky umožňuje nabíjení mnoha typů baterií a lze uložit několik nastavení pro rychlejší nabíjení baterií různých typů. Mikroprocesorové nabíječky monitorují stav všech článků v reálném čase a zároveň informují o zbývajícím čase do jejich úplného nabití. Tímto způsobem slouží také jako ochranný a bezpečnostní prvek.

Paměťový efekt v lithium-polymerových bateriích

Mnoho lidí si klade otázku, zda jsou lithium-polymerové baterie ovlivněny paměťovým efektem. Tento efekt mohou vyvolat dvě situace, které závisí pouze na uživateli. K paměťovému efektu může dojít v důsledku ne zcela nabité baterie nebo při zahájení nabíjení baterie, která není zcela vybitá. Akumulátory se pak začnou přizpůsobovat těmto hodnotám a snižují svůj provozní rozsah, často poměrně výrazně. Tato situace se však týká pouze Ni-Cd a Ni-MH akumulátorů. Lithium-polymerové verze jsou vůči tomuto jevu zcela imunní.

Ještě před několika lety žili všichni v přesvědčení, že baterie se musí “tvarovat“,čímž se fixuje jejich kapacita. Akumulátor se musel vybít až do konce a pak znovu nabít až do úplného nabití, tj. musel se provést doslova plný cyklus. Tato činnost měla smysl pouze u baterií náchylných k paměťovému efektu, takže se nemusí provádět ani u lithium-iontových, ani u lithium-polymerových baterií.

Jak často mám nabíjet li-po baterii?

Mnoho mýtů vzniklo také kolem samotného dobíjení baterií. I zde přetrvává mylná představa, zbytečně přenesená z baterií s paměťovým efektem. U lithium-polymerových baterií se mnohé změnilo, včetně možnosti dobíjet baterii bez ohledu na její aktuální stav nabití. Co to znamená? Že li-po baterii lze dobíjet doslova kdykoli a zcela bez obav o její životnost. Je však třeba mít na paměti, že tato baterie (stejně jako všechny ostatní) reaguje negativně na přílišné zahřívání. Čím déle tedy nabíjení trvá – tím hůře pro baterii, takže krátké nabíjení je mnohem lepší než to, které trvá mnohonásobně déle. Je třeba vědět, že lithium-polymerové baterie fungují nejlépe v rozmezí 20-80 % nabití. Hodnota vyšší nebo nižší může způsobit předčasné opotřebení baterie, včetně změny jejího jmenovitého napětí a kapacity.

Skladování li-po baterií

Velké problémy vznikají také při skladování a uchovávání lithium-polymerových baterií, protože ne každý přesně ví, jak na to. Zlatá střední cesta je kolem 40 % nabití. Akumulátor, i ten, který se nepoužívá, ztrácí napětí s každým měsícem, proto se vyplatí čas od času zkontrolovat jeho aktuální stav a podle potřeby akumulátor dobít. Velkou pozornost je třeba věnovat také okolní teplotě. Baterie jsou v této oblasti velmi náročné a při příliš vysoké nebo příliš nízké teplotě mohou ztrácet své vlastnosti. Li-po baterie je nejbezpečnější v rozmezí 10-25 stupňů Celsia. Jedině tak lze zajistit, aby byla skladována ve správných podmínkách.

Lithium-iontová baterie – konstrukce

Li-po baterie je elektrická lithium-iontová baterie, jejíž jedna elektroda je vytvořena z uhlíku a druhá z oxidů kovů. Ty jsou ponořeny do elektrolytické kapaliny obsahující lithiové soli.

Jak funguje baterie li-ion?

Existují zde dva různé typy práce:

• nabíjení – čerpání elektřiny z baterie
• vybití (práce) – vrácení nahromaděné energie zpět do daného zařízení.

Nabíjení li-ion baterií

Mnoho lidí si klade otázku, jak nabíjet lithium-iontové baterie – přicházíme jim na pomoc. Mělo by se to provádět často, protože časté nabíjení prodlužuje životnost baterie. Nejlepší je nabíjet baterii ihned po jejím vybití. Pokud však víte, že zařízení nebudete delší dobu používat, může být dobré baterii vybít na cca. 2 hodiny. 40%. Úplně vybitý akumulátor by neměl být skladován, protože hrozí jeho poškození. První nabití lithium-iontové baterie by proto mělo proběhnout ihned po jejím vybití, ale nečekejte, až bude zcela vybitá.

Li-po vs li-ion – srovnání

Li-po baterie fungují na bázi li-iontové technologie, kde místo kapalného elektrolytu je tento ve formě polymeru. To má pozitivní vliv na flexibilitu li-po baterií, které lze upravovat, zmenšovat a přizpůsobovat konstrukci daného zařízení.

Li-ion baterie tuto flexibilitu nemají, a proto jsou vybírány mnohem méně často a pravděpodobně ztratí na popularitě.