NiMH, NiCd, Li-ion baterije

Primerjava baterij glede na tehnologijo

Kakšne so razlike med NiCd, NiMH, Li-ion, LiPo in LiFePO4 (LFP) akumulatorji?

Različne akumulatorske tehnologije se razlikujejo po energijski gostoti, življenjski dobi, hitrosti polnjenja, varnosti in načinu vzdrževanja. Pri izbiri ustreznega akumulatorja je zato pomembno upoštevati predvideno uporabo in ne samo njegove kapacitete.

NiCd in NiMH sta nikljevi tehnologiji, Li-ion pa je skupno ime za več vrst litij-ionskih akumulatorjev. Mednje spada tudi LiFePO4 (LFP). Oznaka LiPo se običajno nanaša na konstrukcijo oziroma elektrolitski sistem litij-ionskih celic in ne pomeni samostojne kemijske sestave.

Kakšna je energijska gostota posameznih tehnologij?

Energijska gostota pove, koliko električne energije lahko akumulator shrani glede na svojo maso. Izražamo jo v Wh/kg.

Okvirne vrednosti za posamezne tehnologije so:

NiCd: približno 40–80 Wh/kg.
NiMH: približno 60–120 Wh/kg.
Klasične litij-ionske celice (na primer LCO, NMC ali NCA): približno 150–280 Wh/kg, odvisno od izvedbe.
LiPo: energijska gostota je odvisna od uporabljene kemijske sestave in konstrukcije, zato zanjo ni enotne vrednosti.
LiFePO4 (LFP): približno 90–160 Wh/kg.

Litij-ionske tehnologije z visoko energijsko gostoto so posebej primerne za naprave, kjer sta pomembni majhna teža in velika količina shranjene energije.

LFP ima praviloma nekoliko nižjo energijsko gostoto, vendar pogosto omogoča daljšo ciklično življenjsko dobo.

Koliko ciklov polnjenja in praznjenja omogočajo?

Ciklična življenjska doba je odvisna od globine praznjenja (DoD), temperature, polnilnih pogojev in kakovosti celic.

Okvirne vrednosti so:

NiCd: približno 1.000–2.000 ciklov.
NiMH: približno 300–1.000 ciklov.
Klasični litij-ionski akumulatorji: približno 500–2.000 ciklov, pri nekaterih izvedbah tudi več.
LiPo: od nekaj sto do več kot tisoč ciklov, odvisno od kemijske sestave in načina uporabe.
LFP: približno 2.000–6.000 ciklov ali več.

Navedene vrednosti so orientacijske in niso neposredno primerljive, če proizvajalci uporabljajo različne pogoje preskušanja.

Pri ciklični življenjski dobi je pomemben tudi kriterij konca življenjske dobe, pogosto doseganje 80 % prvotne kapacitete.

Kako hitro lahko polnimo posamezne akumulatorje?

Hitrost polnjenja ni določena samo s tehnologijo, temveč predvsem z dovoljeno polnilno tokovno obremenitvijo posamezne celice.

NiCd in nekatere NiMH akumulatorje je mogoče polniti razmeroma hitro, če polnilnik omogoča ustrezen nadzor zaključka polnjenja in temperature.

Pri litij-ionskih akumulatorjih se običajno uporablja postopek CC/CV, torej polnjenje s konstantnim tokom in nato konstantno napetostjo.

LFP akumulatorji pogosto omogočajo razmeroma visoke polnilne tokove, vendar ni mogoče splošno trditi, da se vsi napolnijo v eni ali dveh urah.

Dovoljen polnilni tok in predviden čas polnjenja je treba vedno preveriti v tehničnih podatkih konkretnega akumulatorja.

Kakšna je nazivna napetost posamezne celice?

Nazivna napetost je pomembna pri načrtovanju akumulatorskih sklopov in izbiri polnilnikov.

NiCd: približno 1,2 V.
NiMH: približno 1,2 V.
Klasične litij-ionske celice: običajno 3,6–3,7 V.
LiPo: običajno 3,6–3,7 V, odvisno od kemijske sestave.
LFP: približno 3,2 V.

Različnih tehnologij ni dovoljeno neposredno zamenjevati brez preverjanja združljivosti naprave, polnilnika in zaščitne elektronike.

Kakšno je samopraznjenje akumulatorjev?

Samopraznjenje pomeni postopno izgubljanje shranjene energije med mirovanjem.

Pri sobni temperaturi so okvirne značilnosti naslednje:

NiCd: razmeroma visoko samopraznjenje, pogosto približno 10–20 % na mesec.
Klasični NiMH: pogosto približno 15–30 % na mesec, pri izvedbah z nizkim samopraznjenjem pa bistveno manj.
Litij-ionski akumulatorji: praviloma nizko samopraznjenje celic, pogosto približno 1–3 % na mesec.
LiPo: odvisno od kemijske sestave, praviloma podobno drugim primerljivim litij-ionskim celicam.
LFP: praviloma nizko samopraznjenje, vendar lahko poraba sistema BMS poveča izgubo energije celotnega sklopa.

Samopraznjenje je odvisno od temperature, starosti, stanja napolnjenosti in konstrukcije akumulatorja.

Katere tehnologije so najbolj občutljive na prekomerno polnjenje?

Vse akumulatorske tehnologije se lahko zaradi nepravilnega polnjenja poškodujejo.

NiCd in NiMH celice lahko pri določenih pogojih prenesejo omejeno prekomerno polnjenje, vendar se pri tem segrevajo in starajo.

Litij-ionske celice, vključno z LiPo in LFP, so posebej občutljive na preseganje dovoljene polnilne napetosti.

Zato potrebujejo natančno nadzorovan polnilni postopek in ustrezno zaščito.

LFP ima dobro toplotno stabilnost, vendar to ne pomeni, da je odporen proti prekomernemu polnjenju.

Kakšne so temperaturne omejitve?

Temperaturno območje delovanja je odvisno od konkretne celice in se lahko razlikuje med polnjenjem in praznjenjem.

NiCd akumulatorji so znani po dobrem delovanju pri nizkih temperaturah, vendar imajo tudi oni predpisane omejitve.

NiMH akumulatorji so praviloma občutljivejši na temperaturne pogoje polnjenja.

Pri številnih klasičnih litij-ionskih in LiPo akumulatorjih je polnjenje pod 0 °C omejeno ali prepovedano.

Tudi običajnih LFP akumulatorjev praviloma ne smemo polniti pod 0 °C, razen če proizvajalec dovoljuje takšno uporabo oziroma je akumulator opremljen z ustreznim ogrevanjem.

Pri praznjenju lahko nekatere litij-ionske izvedbe delujejo tudi pod 0 °C, vendar z zmanjšano razpoložljivo zmogljivostjo.

Temperaturnih območij zato ni pravilno navajati kot enotno vrednost za celotno tehnologijo.

Katere tehnologije potrebujejo BMS?

Pri večceličnih litij-ionskih akumulatorskih sklopih je ustrezen sistem za nadzor in zaščito celic praviloma nujen.

To velja za klasične litij-ionske, LiPo in LFP akumulatorje.

BMS nadzoruje napetosti, tokove in temperature ter lahko skrbi tudi za uravnoteženje celic.

NiCd in NiMH akumulatorji običajno ne potrebujejo enakega sistema BMS, vendar pri zahtevnejših sklopih prav tako uporabljamo elektroniko za nadzor polnjenja, temperature in drugih parametrov.