Źródła energii baterie, akumulatory, superkondensatory Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Źródła: Elektronika praktyczna, Elektronik i inne

Elektrochemiczne źródła energii elektrycznej Ogniwa elektryczne (łączone w zespoły – baterie) Akumulatory - źródła zasilania wielokrotnego ładowania Oznaczenia baterii wg IEC (technologia wykonania) (brak) - ogniwo cynkowo-grafitowe (anoda – cynk; katoda – tlenek manganu (IV)/grafit; elektrolit – chlorek amonu lub cynku) A – ogniwo cynkowo powietrzne (anoda - cynk; katoda – tlen/węgiel; elektrolit – chlorek amonu lub cynku) B - ogniwo litowo-węglowe (anoda - lit; katoda - monofluorek węgla; elektrolit organiczny); napięcie nominalne 3 V C - ogniwo litowo-manganowe (anoda - lit; katoda- tlenek manganu(IV); elektrolit organiczny); napięcie nominalne 3 V E -  ogniwo litowo-tionylowe (anoda - lit; katoda - chlorek tionylu); elektrolit niewodny nieorganiczny) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Oznaczenia baterii wg IEC (technologia wykonania) Źródła energii Oznaczenia baterii wg IEC (technologia wykonania) F - ogniwo litowo-żelazowe (poza normą) H - ogniwo niklowo-metalowo-wodorkowe ładowalne (poza normą) ; (akumulator NiMH); napięcie nominalne 1,2 V K - ogniwo niklowo-kadmowe ładowalne (poza normą) ; (akumulator Ni-CD); napięcie nominalne 1,2 V L -  ogniwo alkaliczno-braunsztynowe (anoda - cynk; katoda - tlenek manganu(IV); elektrolit - wodorotlenek metalu alkalicznego) M – (obecnie) ogniwo litowe ładowalne P - ogniwo alkaliczno-powietrzne (anoda - cynk; katoda - tlen/węgiel; elektrolit - wodorotlenek metalu alkalicznego); napięcie nominalne 1,4 V S - ogniwo srebrowo-cynkowe (anoda - cynk; katoda - tlenek srebra(I) lub tlenek srebra(II); elektrolit - wodorotlenek potasu)  Z - ogniwo niklowo-manganowe (Ni-Mn) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Baterie Ogniwo Leclanchego – najtańsze, popularne ogniwa galwaniczne Ogniwo galwaniczne jednorazowe; anoda – pojemnik cynkowy (Zn); katoda – sproszkowany tlenek manganu (IV) (MnO2); elektrolit – chlorek amonu (NH4Cl - salmiak) Napięcie nominalne 1,5V Dla urządzeń o małym i średnim poborze prądu (100 – 300 mA) 1 - metalowe wieczko (+) 2 - grafitowy pręt (dodatnia elektroda) 3 - cynkowy pojemnik (ujemna elektroda) 4 - tlenek manganu(IV) 5 - pasta chlorku amonu (elektrolit) 6 - metalowe denko (-) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Baterie Ogniwo Leclanchego – (bateria cynkowo - węglowa), charakterystyka obciążenia Obciążenie 39 Ω (prąd: 38.. 18 mA) Ω 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Baterie Bateria alkaliczna (ogniwo alkaiczne) – najczęściej stosowane Ogniwo galwaniczne jednorazowe; anoda – sproszkowany cynk (Zn); katoda – sproszkowany tlenek manganu (IV) (MnO2); elektrolit – wodorotlenek potasu (KOH) Napięcie nominalne 1,5V Dla urządzeń o średnim poborze prądu (100 – 300 mA) i dużym poborze >300 mA 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Baterie Bateria alkaliczna (ogniwo alkaiczne) – charakterystyka obciążenia Obciążenie stałym prądem 100 mA Przydatność do pracy około 10 lat 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Baterie Bateria litowa, np. CR2032 Napięcie nominalne: 3,0 V Nominalna pojemność: 210 mAh (ciągłe rozładowywanie z obc. 15 kΩ do napięcia końcowego 2,0 V) Okres przydatności do 15 lat 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Baterie Baterie litowe-chlorkowo-tionylowe Droższe od innych baterii litowych Znikomy prąd samorozładowania; okres przydatności do 20 lat Zastosowania, np. liczniki inteligentne, IoT 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Baterie Podsumowanie Popularne rodzaje baterii 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory kwasowe i zasadowe Akumulatory kwasowo-ołowiowe (1859r.) Akumulatory niklowo-żelazowe (1901r.)– były stosowane w kolejnictwie, górnictwie Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd); anoda – kadm gąbczasty; katoda – oksowodorek niklu(III)(NiOOH); elektrolit – wodorotlenek potasu (KOH); napięcie nominalne 1,2V; odporne na przeładowanie i całkowite rozładowanie; duże prądy ładowania i rozładowania; wada – efekt pamięci, trujący kadm – ograniczenie w EU Akumulatory wodorkowe (niklowo-metalowo-wodorkowe) (NiMH) 1991r.; większa gęstość energii niż dla NiCd Akumulatory niklowe – duże prądy samorozładowania Akumulatory niklowe – mogą pracować buforowo z małym prądem podładowania około 0,01C (10 mA/1 Ah) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory niklowe (zasadowe) Charakterystyki obciążenia (rozładowania) NiCd 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory niklowe (zasadowe) Charakterystyki obciążenia (rozładowania) NiMH 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory niklowe (zasadowe) Porównanie charakterystyk akumulatorów NiMH i baterii alkalicznych 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory niklowe (zasadowe) Ładowarki akumulatorów niklowych Standardowy sposób ładowania - ładowanie prądem 0,1C (14..16h) a) – uproszczone źródło prądowe b) i c) realizacje źródeł prądowych na tranzystorach 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory niklowe (zasadowe) Charakterystyki ładowania akumulatora NiMH 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory niklowe (zasadowe) Charakterystyki ładowania ekspresowego (dużym prądem) akumulatorów NiMH i NiCd 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory niklowe (zasadowe) Charakterystyki ładowania ekspresowego (dużym prądem - 1C) akumulatorów NiMH i NiCd Przy szybkim kryterium wyłączenia prądu 1C może być kontrola napięcia – wykrycie ΔV/Δt =0, a następnie doładowanie małym prądem 0,1C Lepszym kryterium jest pomiar dopuszczalnej temperatury 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Opracowano w 1991r. Akumulatory litowo-jonowe Li-ion (Li-jon) Akumulatory litowo-polimerowe Li-po (Li-poly) Akumulatory litowo-żelazowo-fosfatowymi LiFePO4 (LiFePO4) Napięcie nominalne >3V Największa gęstość energii Brak efektu pamięciowego Niewielkie samorozładowanie Niebezpieczne przeładowanie - grozi POŻAREM Pobór prądu większego o dopuszczalnego – grozi POŻAREM Szkodliwe nadmierne rozładowanie (rozładowanie poniżej 2,5V/celę) – nieodwracalna utrata pojemności 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Charakterystyka akumulatora litowego 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Charakterystyki akumulatorów litowych i alkalicznych 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Zasada budowy akumulatorów litowo-jonowych 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Zasada działania akumulatora litowego 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Zasada działania akumulatora litowego Podczas ładowania dodatnie jony litu przechodzą z katody do węglowej anody, gdzie łączą się z atomami węgla w specyficzną warstwową strukturę opisywaną wzorem chemicznym LiC6. Podczas rozładowania jony litu wracają z anody do katody. Pierwsze akumulatory (Sony 1991r.) budowane były na bazie LiCoO2 (LCO) – do 200 Wh/kg - ale wysokie ceny kobaltu Tańszym rozwiązaniem okazały się akumulatory LiMn2O4 (LMO) nazywane są manganowymi albo spinelowymi ; wada – gęstość o połowę mniejsza od kobaltowych Znaleziono rozwiązania kompromisowe: LiMnCoO2 (LMC) i LiNiMnCoO2 (NMC) Inne rozwiązania: LiFePO4 (LFP) Nowe rozwiązania: wykorzystanie glinu (NCA – LiNiCoAlO2), tytan (LTO – Li4Ti5O12) czy siarki (LIS – Li2S8) – zaletą jest duża gęstość energii do 500 Wh/kg 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Rozwiązania w akumulatorach litowych W akumulatorach litowych stosowano i nadal stosuje się ciekłe elektrolity zawierające różne bardziej i mniej bezpieczne substancje z litem Istotnym wynalazkiem było zastąpienie ciekłych elektrolitów stałym w postaci przewodzących polimerów, zawierających sole litu - akumulatory litowo-polimerowe (oznaczenia Li-Po, LiPo lub LIP) Akumulatory polimerowe to też akumulatory litowo-jonowe 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Ładowanie akumulatorów litowych Akumulatory litowe najpierw należy ładować prądem 0,2C ..0,3C a po uzyskaniu odpowiedniej wartości napięcia, należy utrzymać stałe napięcie zasilania Dla akumulatorów Li-Ion i Li-Po o napięciu nominalnym 3,7V napięcie ładowania wynosi 4,2V ±50mV Dla akumulatorów LiFePO4 o napięciu nominalnym 3,2V napięcie ładowania wynosi 3,6V + 3,65V (dokładne wartości w karcie katalogowej) Długotrwałe utrzymywanie końcowego napięcia ładowania (4,2V) powoduje zmniejszenie trwałości akumulatora 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Ładowanie akumulatorów litowych Krzywe ładowania akumulatora Li-Ion standardową metodą CCCV (CC –constant current, CV – constant voltage) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Ładowanie akumulatorów litowych Zależność żywotności od końcowego napięcia ładowania 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Ładowanie akumulatorów litowych Wydłużenie żywotności akumulatora przez obniżenie końcowego napięcia ładowania 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Ładowanie akumulatorów litowych Przykłady ładowarek 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Ładowanie akumulatorów litowych Przykłady ładowarek - balanser 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Akumulatory litowe Ładowanie akumulatorów litowych Schemat zabezpieczenia pakietu akumulatorów z układem Texas Instruments bq29330 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Nowe rozwiązania 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Nowe rozwiązania Aktualnie najpopularniejsze są trzy typy akumulatorów Kwasowo-ołowiowe (pojazdy) Niklowe NiMH Litowe W najlepszych współczesnych akumulatorach litowych osiąga się gęstość energii na poziomie 200 Wh/kg 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Najpopularniejsze aktualnie akumulatoey Gęstości energii akumulatorów 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Nowe rozwiązania Akumulatory alkaliczne manganowe (RAM - Rechargeable Alkaline Manganese) to odmiana jednorazowych ogniw alkalicznych (1,5V) Możliwość ładowania kilkanaście do kilkudziesięciu razy Małe samorozładowanie Znaczna rezystancja wewnętrzna Akumulatory cynkowo-powietrzne (Zn-Air) Duża gęstość energii – oczekiwana ponad 400 Wh/kg W trakcie badań: aluminiowo-powietrzne, litowo-powietrzne - teoretyczne wartości gęstości 11140 Wh/kg Akumulatory niklowo-litowe (Ni-Li) – łączą zalety akumulatorów niklowych i litowo jonowych – oczekiwana gęstość energii ponad 900 Wh/kg 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Nowe rozwiązania Akumulatory sodowo-jonowe (Na-Ion) – spodziewana gęstość energii ok. 400 Wh/kg; opatentowano potasowo- jonowe (K-Ion) Obiecujące litowo-siarkowe (LiS) o teoretycznej gęstości energii do 2600 Wh/kg Badania nad wykorzystaniem sodu – akumulatory sodowo- siarkowe (sód stopiony z siarką) - temperatura pracy 300..350°C – wykorzystanie w energetyce –potężne pojemności Akumulatory sodowo-niklowe (Na-NiCl2) – temperatura pracy 245°C – zastosowania jw. Akumulatory wanadowe (przepływowe) – ładowanie klasyczne lub „tankowanie” polegające na wymianie elektrolitu na „naładowany” – niska gęstość energii 20..25 Wh/kg (niższa niż w akumulatorach kwasowych)- jw. 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Nowe rozwiązania Ogniwa paliwowe (rodzaj baterii) – łączenie wodoru z tlenem – pierwsze ogniwo 1839r. (W. Grove – Anglia) Na katodzie wodór łączy się z tlenem z powietrza a produktem reakcji jest para wodna i ciepło Teoretyczna sprawność do 30000 Wh/kg (3x > niż benzyna) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Super kondensatory Superkondensatory (ultrakondensatory) – nie mają klasycznego dielektryka a działanie wiąże się ze zjawiskiem elektrolizy Przy dużym napięciu następuje elektroliza (U > Ug) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Superkondensatory Przy małym napięciu elektroliza nie występuje – elektrolit zachowuje się jak izolator – jony gromadzą się na powierzchni elektrod, jednak nie następuje wymiana ładunków elektrycznych – powstaje podwójna warstwa (double layer) Układ zachowuje się jak dwa kondensatory połączone szeregowe – układ EDLC (ang. Electrochemical Double-Layer Capacitor) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Superkondensatory Przy małym napięciu elektroliza nie występuje – elektrolit zachowuje się jak izolator – jony gromadzą się na powierzchni elektrod, jednak nie następuje wymiana ładunków elektrycznych – powstaje podwójna warstwa (double layer) Układ zachowuje się jak dwa kondensatory połączone szeregowe – układ EDLC (ang. Electrochemical Double-Layer Capacitor) 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Superkondensatory W akumulatorach podczas ładowania, energia elektryczna zamieniana jest w energię chemiczną (energię wiązań chemicznych) a podczas rozładowania energia chemiczna zamienia się w energię elektryczną Praca akumulatora zwiazana jest z chemicznymi reakcjami redukcji (reduction) i utleniania (oxidation), stąd bierze się skrót redox W superkondensatorach EDCL nie zachodzą żadne reakcje chemiczne Pseudokondensatory (kondensatory redox , kondensatory faradajowskie) do magazynowania energii wykorzystują reakcje chemiczne 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Superkondensatory Kondensatory hybrydowe wykorzystują zarówno pojemność EDCL a także pseudopojemność redox Na rysunku przykład kondensatora hybrydowego symetrycznego 04-2017 Zygmunt Kubiak

Źródła energii Superkondensatory Superkondensatory mają niewielką gęstość energii ale bardzo małą rezystancję wewnętrzną - co oznacza możliwość stosowania bardzo dużych prądów ładowania i rozładowania Duża moc w W/kg – zastosowania m.in. w pojazdach elektrycznych, autobusach, lokomotywach, F1 – wspomaganie przyspieszania oraz odzyskiwania energii przy hamowaniu 04-2017 Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora http://e2e.ti.com/blogs_/b/fullycharged/archive/2014/12/19/how-can-you-deliver-1w-power-from-a-10-mw-coin-cell?DCMP=fc&HQS=tlead-power-dcdc-pwr-alps-lpdc-myti-fullyc-20141219-en Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora Bateria litowa LiSOCl2 charakteryzuje się długą żywotnością – 15 lat i więcej Ma bardzo wysoką wydajność energetyczna (Wh /kg), ale nie jest w stanie dostarczyć prądu o wartości większej niż np.. 20mA Źle znoszą pracę przy wyższych prądach Na poprzednim slajdzie schemat blokowy przedstawia sprawdzoną koncepcję rozwiązania powyższego problemu zasilania z użyciem układu TPS62740 i super- kondensatora co znacznie przedłuża życie baterii Kondensator ładowany jest z baterii niskim (kontrolowanym) prądem a sam może dostarczyć dużego prądu obciążenia Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora W przykładowej aplikacji dla potrzeb węzła wM-Bus przyjęto założenia: Napięcie baterii = 3,6V Prąd maksymalny baterii = 3 mA Czas transmisji = 200ms Moc transmisji = 1000mW Aby dostarczyć energii do transmisji wybrano kondensator 0,47F (muRata EDLC typu DMF3Z5R5H474M3DTA0) ładowany tylko do 2,7V (trwałość ponad 15 lat) Uzyskano sprawność powyżej 90% Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora Charakterystyki rozładowania baterii litowej LiSOCL2 Czas pracy do 15 lat i więcej Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora Ładowanie kondensatora ze źródła napięciowego Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora Większość czasu napięcie jest utrzymywane na 1.9V, aby zminimalizować straty mikrokontrolera oraz innych prądów upływu w aplikacji (faza 1) Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora Przed bezprzewodową transmisją danych, kondensator jest naładowany do 2.7V (faza 2) Zygmunt Kubiak

Przykład współpracy baterii litowej i superkondensatora Podczas transmisji zmagazynowana energia w kondensa- torze jest pobierana - spadek napięcia do 1.9V (faza 3) Zygmunt Kubiak

Dziękuję Zygmunt Kubiak 04-2017