आप सभी को ली के बारे में जानना आवश्यक है

जब तक वायरलेस ऊर्जा हस्तांतरण के लिए सौर ऊर्जा उपग्रहों (एसपीएस) में आर्क रिएक्टर या अनुसंधान में कुछ टोनी स्टार्क कदम नहीं उठाता, हम इंसानों को अपने पोर्टेबल या दूरस्थ इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को शक्ति प्रदान करने के लिए बैटरी पर निर्भर रहना पड़ता है। सबसे आम प्रकार की रिचार्जेबल बैटरी जो आपको उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में मिलती है, वह है लिथियम आयन या लिथियम पॉलिमर प्रकार । इस लेख में, हमारी रुचि ली-आयन बैटरियों पर होगी क्योंकि वे अन्य सभी प्रकारों की तुलना में अधिक उपयोगी हैं। यह एक छोटा पावर बैंक हो या लैपटॉप या टेस्ला का नया मॉडल 3 जितना बड़ा सब कुछ लिथियम आयन बैटरी द्वारा संचालित किया जा रहा है।

इन बैटरियों को क्या खास बनाता है? अपनी परियोजनाओं / डिजाइनों में एक का उपयोग करने से पहले आपको इसके बारे में क्या पता होना चाहिए? आप इन बैटरियों को सुरक्षित रूप से कैसे चार्ज या डिस्चार्ज करेंगे? यदि आप इन सभी सवालों के जवाब जानने के लिए उत्सुक हैं, तो आप सही लेख पर उतरे हैं, बस वापस बैठो और पढ़ो, जबकि मैं इसे यथासंभव रोचक रखने की कोशिश करूंगा।

लिथियम-आयन बैटरी इतिहास

लिथियम आयन बैटरी का विचार पहली बार 1912 में जीएन लुईस द्वारा गढ़ा गया था, लेकिन यह केवल 1970 के दशक में ही संभव हो गया और पहली गैर-रिचार्जेबल लिथियम बैटरी को वाणिज्यिक बाजारों में डाल दिया गया। बाद में 1980 में इंजीनियरों ने एनोड सामग्री के रूप में लिथियम का उपयोग करके पहली रिचार्जेबल बैटरी बनाने का प्रयास किया और आंशिक रूप से सफल रहे। वे यह नोटिस करने में विफल रहे कि चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान इस प्रकार की लिथियम बैटरी अस्थिर थीं और यह बैटरी के अंदर एक छोटा तापमान पैदा कर सकती है और तापमान को बढ़ा सकती है।

1991 में, मोबाइल में इस्तेमाल होने वाली ऐसी ही एक लिथियम बैटरी जापान में एक आदमी के चेहरे पर फट गई। इस घटना के बाद ही यह महसूस किया गया कि ली-आयन बैटरी को अत्यधिक सावधानी के साथ संभाला जाना चाहिए। इस प्रकार की बड़ी संख्या में बैटरियां जो बाजार में थीं, उन्हें निर्माताओं द्वारा सुरक्षा के मुद्दे पर वापस बुला लिया गया था। बाद में बहुत शोध के बाद, सोनी ने एक नई रसायन विज्ञान के साथ उन्नत ली-आयन बैटरी पेश की, जिसका आज तक उपयोग किया जा रहा है। आइए यहां इतिहास के पाठों को हवा दें और एक लिथियम आयन बैटरी के रसायन विज्ञान पर गौर करें।

ली आयन बैटरी रसायन विज्ञान और काम कर रहे

जैसा कि नाम से स्पष्ट है कि, लिथियम आयन बैटरी काम करने के लिए लिथियम आयनों का उपयोग करती है। उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ लिथियम एक बहुत ही हल्की धातु है, यह गुण बैटरी को वजन में हल्का बनाने में सक्षम बनाता है और छोटे रूप कारक के साथ उच्च धारा प्रदान करता है। ऊर्जा घनत्व ऊर्जा की मात्रा है जिसे बैटरी की प्रति इकाई मात्रा में संग्रहीत किया जा सकता है, ऊर्जा घनत्व जितना अधिक होगा बैटरी उतनी ही कम होगी। लिथियम धातु के भारी गुणों के बावजूद, इसका उपयोग बैटरी में सीधे इलेक्ट्रोड के रूप में नहीं किया जा सकता है क्योंकि लिथियम अपने धातु प्रकृति के कारण अत्यधिक अस्थिर है। इसलिए हम लिथियम-आयनों का उपयोग करते हैं, जिसमें कम या ज्यादा लिथियम धातु की संपत्ति होती है, लेकिन यह गैर-धातु है और उपयोग करने के लिए तुलनात्मक रूप से सुरक्षित है।

आम तौर पर लिथियम बैटरी का एनोड कार्बन से बना होता है और बैटरी का कैथोड कोबाल्ट ऑक्साइड या कुछ अन्य धातु ऑक्साइड का उपयोग करके बनाया जाता है। इन दोनों इलेक्ट्रोडों को जोड़ने वाला इलेक्ट्रोलाइट एक साधारण नमक घोल होगा जिसमें लिथियम आयन होते हैं। जब पॉजिटिवली चार्ज किए गए लिथियम आयन कैथोड की ओर बढ़ते हैं और तब तक उस पर बमबारी करते हैं, जब तक कि वह पॉजिटिवली चार्ज न हो जाए। अब चूंकि कैथोड सकारात्मक रूप से चार्ज होता है इसलिए यह नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉनों को अपनी ओर आकर्षित करता है। इन इलेक्ट्रॉनों को प्रवाहित किया जाता है, हालांकि हमारे सर्किट इस प्रकार सर्किट को शक्ति देते हैं।

इसी तरह चार्ज करते समय, विपरीत विपरीत होता है। आवेशों से इलेक्ट्रॉन बैटरी में प्रवाहित होते हैं और इसलिए लिथियम आयन अपने धनात्मक आवेश को खोने के लिए कैथोड बनाते हुए एनोड की ओर बढ़ते हैं।

लिथियम आयन बैटरियों का परिचय

लिथियम आयन बैटरियों पर सिद्धांत का पर्याप्त, अब आइए व्यावहारिक रूप से इन कोशिकाओं के बारे में जानें ताकि हम अपनी परियोजनाओं में इसका उपयोग करने के बारे में आश्वस्त हो सकें। सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला लिथियम आयन बैटरी 18650 सेल है, इसलिए इस लेख में उसी के बारे में चर्चा करेंगे। एक विशिष्ट 18650 सेल नीचे की छवि में दिखाया गया है

सभी बैटरियों की तरह ली-आयन बैटरी में भी वोल्टेज और क्षमता की रेटिंग होती है। सभी लिथियम कोशिकाओं के लिए नाममात्र वोल्टेज रेटिंग 3.6 वी होगी, इसलिए आपको उच्च वोल्टेज विनिर्देश की आवश्यकता है जिसे प्राप्त करने के लिए आपको श्रृंखला में दो या अधिक कोशिकाओं को संयोजित करना होगा। डिफ़ॉल्ट रूप से सभी लिथियम आयन कोशिकाओं में केवल ~ 3.6 वी का नाममात्र वोल्टेज होगा। पूरी तरह से डिस्चार्ज होने पर इस वोल्टेज को 3.2V तक नीचे जाने की अनुमति दी जा सकती है और पूरी तरह चार्ज होने पर यह 4.2V तक जाती है। हमेशा याद रखें कि 3.2V से नीचे की बैटरी को डिस्चार्ज करने या 4.2V से ऊपर चार्ज करने से बैटरी हमेशा के लिए खराब हो जाएगी और आतिशबाजी का नुस्खा भी बन सकता है। 18650 की बैटरी में शामिल शब्दावली को तोड़ते हैं ताकि हम बेहतर समझ सकें। ध्यान रखें कि ये स्पष्टीकरण केवल एकल 18650 सेल के लिए लागू होते हैं, हम बाद में ली-आयन बैटरी पैक में अधिक प्राप्त करेंगे, जहां एक से अधिक सेल श्रृंखला में जुड़े हुए हैं या बहुत अधिक वोल्टेज और वर्तमान रेटिंग प्राप्त करने के लिए समानांतर हैं।

नाममात्र वोल्टेज: नाममात्र वोल्टेज 18650 सेल की वास्तविक वोल्टेज रेटिंग है। डिफ़ॉल्ट रूप से यह 3.6V है और इसके विनिर्माण के बावजूद सभी 18650 कोशिकाओं के लिए समान रहेगा।

पूर्ण डिस्चार्ज वोल्टेज: एक 18650 सेल को कभी भी 3.2 वी से नीचे डिस्चार्ज करने की अनुमति नहीं दी जानी चाहिए, ऐसा करने में विफल रहने से बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध में परिवर्तन होगा जो बैटरी को स्थायी रूप से नुकसान पहुंचाएगा और इससे विस्फोट भी हो सकता है।

फुल चार्ज वोल्टेज: लिथियम आयन सेल के लिए चार्जिंग वोल्टेज 4.2V है। ध्यान रखा जाना चाहिए कि किसी भी समय सेल वोल्टेज 4.2V नहीं बढ़ता है।

mAh रेटिंग: सेल की क्षमता आम तौर पर mAh (मिल्ली एम्पीयर ऑवर) रेटिंग के संदर्भ में दी जाती है। यह मान आपके द्वारा खरीदी गई सेल के प्रकार के आधार पर अलग-अलग होगा। उदाहरण के लिए मान लें कि हमारी सेल यहाँ 2000mAh है जो कि 2Ah (Ampere / hour) के अलावा और कुछ नहीं है। इसका मतलब है कि अगर हम इस बैटरी से 2A खींचते हैं तो यह 1 घंटे तक चलेगी और इसी तरह अगर हम इस बैटरी से 1A खींचेंगे तो यह 2 घंटे तक चलेगी। इसलिए यदि आप जानना चाहते हैं कि बैटरी आपको कितने समय तक प्रोजेक्ट (रन-टाइम) करेगी तो आपको mAh रेटिंग का उपयोग करके इसकी गणना करनी होगी।

रन टाइम (घंटों में) = करंट ड्रा / mAh रेटिंग

जहां, वर्तमान खींची को सी रेटिंग सीमा के भीतर होना चाहिए।

सी रेटिंग: यदि आपने कभी सोचा है कि वर्तमान में अधिकतम राशि क्या है जिसे आप बैटरी से खींच सकते हैं तो आपका जवाब बैटरी की सी रेटिंग से प्राप्त किया जा सकता है। बैटरी की C रेटिंग प्रत्येक बैटरी के लिए फिर से बदल जाती है, चलो मान लेते हैं कि हमारे पास जो बैटरी है वह 3C रेटिंग वाली 2Ah बैटरी है। मान 3 सी का मतलब है कि बैटरी अपनी अधिकतम धारा के रूप में रेटेड रेटिंग को 3 गुना बढ़ा सकती है। इस मामले में यह अधिकतम वर्तमान के रूप में 6A (3 * 2 = 6) तक की आपूर्ति कर सकता है। आम तौर पर 18650 कोशिकाओं में केवल 1C रेटिंग होती है।

अधिकतम वर्तमान बैटरी = सी रेटिंग * आह रेटिंग से तैयार की गई

चार्जिंग करंट: किसी बैटरी का एक और महत्वपूर्ण स्पेसिफिकेशन नोटिस करना उसका चार्जिंग करंट है। सिर्फ इसलिए कि एक बैटरी 6 ए की अधिकतम धारा की आपूर्ति कर सकती है इसका मतलब यह नहीं है कि यह 6 ए के साथ चार्ज हो सकता है। बैटरी के अधिकतम चार्जिंग चार्ज का उल्लेख बैटरी के डेटाशीट में किया जाएगा क्योंकि यह बैटरी के आधार पर बदलता रहता है। आम तौर पर यह 0.5C होगा, जिसका अर्थ अह रेटिंग का आधा मूल्य होगा। 2Ah रेटिंग वाली बैटरी के लिए चार्जिंग करंट 1A (0.5 * 2 = 1) होगा।

चार्जिंग समय: एक एकल 18650 सेल के लिए चार्ज करने के लिए आवश्यक न्यूनतम चार्जिंग समय की गणना वर्तमान चार्ज और बैटरी की आह रेटिंग के मूल्य का उपयोग करके की जा सकती है। उदाहरण के लिए 1A चार्जिंग करंट के साथ 2Ah की बैटरी चार्ज करने में चार्ज होने में लगभग 2 घंटे लगेंगे, यह मानते हुए कि चार्जर केवल सेल को चार्ज करने के लिए CC विधि का उपयोग करता है।

आंतरिक प्रतिरोध (IR): बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध को मापकर बैटरी के स्वास्थ्य और क्षमता का अनुमान लगाया जा सकता है। यह बैटरी के एनोड (धनात्मक) और कैथोड (ऋणात्मक) टर्मिनलों के बीच प्रतिरोध के अलावा और कुछ नहीं है। एक सेल के IR के विशिष्ट मूल्य का उल्लेख डेटशीट में किया जाएगा। यह वास्तविक मूल्य से जितना अधिक बहेगा, बैटरी उतनी ही कम कुशल होगी। 18650 सेल के लिए IR का मूल्य मिलि ओम की सीमा में होगा और IR के मूल्य को मापने के लिए समर्पित उपकरण हैं।

चार्जिंग विधियाँ: कई विधियाँ हैं जो ली-आयन सेल को चार्ज करने के लिए प्रचलित हैं। लेकिन सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला 3 चरण टोपोलॉजी है। तीन चरण हैं CC, CV और ट्रिकल चार्ज। में सीसी (लगातार वर्तमान) मोड सेल एक निरंतर इनपुट वोल्टेज परिवर्तन करके वर्तमान चार्ज करने का आरोप है। यह मोड तब तक सक्रिय रहेगा जब तक बैटरी एक निश्चित स्तर पर चार्ज नहीं हो जाती है, तब CV (लगातार वोल्टेज)मोड शुरू होता है जहां चार्जिंग वोल्टेज आमतौर पर 4.2V पर बनाए रखा जाता है। अंतिम मोड पल्स चार्जिंग या ट्रिकल चार्जिंग है जहां बैटरी के जीवन चक्र को बेहतर बनाने के लिए करंट के छोटे दालों को बैटरी में पास किया जाता है। चार्जिंग के 7-चरणों को शामिल करने वाले बहुत अधिक जटिल चार्जर हैं। हम इस विषय में बहुत गहरे नहीं उतरेंगे क्योंकि यह इस लेख के दायरे से बाहर है। लेकिन अगर आप टिप्पणी अनुभाग पर उल्लेख जानने में रुचि रखते हैं और मैं ली-आयन कोशिकाओं को चार्ज करने पर एक अलग लेख लिखूंगा।

चार्ज की स्थिति (एसओसी)%: आवेश की स्थिति बैटरी की क्षमता के अलावा और कुछ नहीं है, जो हमारे मोबाइल फोन में दिखाई जाती है। बैटरी की क्षमता को उसके वोल्टेज वाल्व के साथ स्पष्ट रूप से गणना नहीं की जा सकती है, आमतौर पर वर्तमान एकीकरण का उपयोग करके समय के साथ बैटरी की क्षमता में परिवर्तन का निर्धारण किया जाता है।

डिस्चार्ज की गहराई (डीओडी)%: कितनी दूर तक बैटरी को डिस्चार्ज किया जा सकता है डीओडी द्वारा दिया गया है। किसी भी बैटरी में 100% डिस्चार्ज नहीं होगा क्योंकि हम जानते हैं कि यह बैटरी को नुकसान पहुंचाएगा। आम तौर पर सभी बैटरी के लिए डिस्चार्ज की 80% गहराई निर्धारित की जाती है।

सेल आयाम: 18650 सेल की एक और अनोखी और दिलचस्प विशेषता इसका आयाम है। प्रत्येक सेल में 18 मिमी का व्यास और 650 मिमी की ऊँचाई होगी जो इस सेल को 18650 नाम देता है।

यदि आप अधिक शब्दावली परिभाषा चाहते हैं तो एमआईटी बैटरी शब्दावली प्रलेखन में देखें, जहां आप बैटरी से संबंधित तकनीकी मानकों को खोजना सुनिश्चित करते हैं।

18650 सेल का उपयोग करने का सबसे आसान तरीका

यदि आप एक पूर्ण नौसिखिया हैं और बस 18650 कोशिकाओं के साथ अपनी परियोजना को शुरू करने के लिए शुरुआत कर रहे हैं, तो सबसे आसान तरीका रेडीमेड मॉड्यूल का उपयोग करना होगा जो आपकी 18650 कोशिकाओं को सुरक्षित रूप से चार्ज और डिस्चार्ज कर सकता है। केवल ऐसा मॉड्यूल TP4056 मॉड्यूल है जो एक एकल 18650 सेल को संभाल सकता है।

यदि आपको इनपुट वोल्टेज के रूप में 3.6 वी से अधिक की आवश्यकता है, तो आप 7.4 वी के वोल्टेज प्राप्त करने के लिए श्रृंखला में दो 18650 कोशिकाओं को संयोजित करना चाह सकते हैं। ऐसे मामले में एक मॉड्यूल का उपयोग करें जैसे 2S 3A Li-ion बैटरी मॉड्यूल बैटरी को सुरक्षित रूप से चार्ज और डिस्चार्ज करने में उपयोगी होना चाहिए।

दो या दो से अधिक 18650 कोशिकाओं को संयोजित करने के लिए हम पारंपरिक टांका लगाने की तकनीक का उपयोग नहीं कर सकते हैं, दोनों के बीच संबंध बनाने के लिए स्पॉट वेल्डिंग का उपयोग किया जाता है। साथ ही श्रृंखला में 18650 कोशिकाओं के संयोजन या समानांतर अधिक देखभाल की जानी चाहिए, जिसकी चर्चा निम्नलिखित पैराग्राफ में की गई है।

ली-आयन बैटरी पैक (श्रृंखला और समानांतर में सेल)

छोटे पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स या छोटे उपकरणों को एक एकल 18650 सेल या श्रृंखला में उनमें से अधिकांश को जोड़ने के लिए चाल चलेंगे। इस प्रकार के अनुप्रयोग में जटिलता कम होती है क्योंकि इसमें शामिल बैटरी की संख्या कम होती है। लेकिन इलेक्ट्रिक साइकिल / मोपेड या टेस्ला कारों जैसे बड़े एप्लिकेशन के लिए हमें वांछित आउटपुट वोल्टेज और क्षमता प्राप्त करने के लिए श्रृंखला और समानांतर फैशन में इन कोशिकाओं के बहुत से कनेक्ट करने की आवश्यकता होगी। उदाहरण के लिए टेस्ला कार में 6800 लिथियम सेल हैं जिनमें से प्रत्येक की रेटिंग 3.7V और 3.1Ah है। नीचे दी गई तस्वीर दिखाती है कि यह कार के चेसिस के अंदर कैसे व्यवस्थित है।

कोशिकाओं की इतनी अधिक संख्या की निगरानी के लिए हमें एक समर्पित सर्किट की आवश्यकता होती है जो इन कोशिकाओं को सुरक्षित रूप से चार्ज, मॉनिटर और डिस्चार्ज कर सके। इस समर्पित प्रणाली को बैटरी मॉनिटरिंग सिस्टम (BMS) कहा जाता है । बीएमएस का काम हर लिथियम आयन सेल के व्यक्तिगत सेल वोल्टेज की निगरानी करना है और इसके तापमान की भी जांच करना है। इसके अलावा कुछ बीएमएस सिस्टम के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग करंट की निगरानी भी करते हैं।

पैक बनाने के लिए दो से अधिक कोशिकाओं के संयोजन के दौरान, ध्यान रखा जाना चाहिए कि उनके पास एक ही रसायन विज्ञान, वोल्टेज, आह रेटिंग और आंतरिक प्रतिरोध हो। कोशिकाओं को चार्ज करते समय बीएमएस यह सुनिश्चित करता है कि उनसे समान रूप से चार्ज किया जाता है और समान रूप से छुट्टी दी जाती है ताकि किसी भी समय सभी बैटरी एक ही वोल्टेज बनाए रखें, इसे सेल बैलेंसिंग कहा जाता है । इसके अलावा डिजाइनर को चार्जिंग और डिस्चार्ज करते समय इन बैटरियों को ठंडा करने की भी चिंता करनी पड़ती है क्योंकि वे उच्च तापमान के दौरान अच्छी प्रतिक्रिया नहीं देते हैं।

आशा है कि इस लेख ने आपको ली-आयन कोशिकाओं के साथ थोड़ा आश्वस्त होने के लिए पर्याप्त विवरण प्रदान किया है। यदि आपको कोई विशेष संदेह है तो टिप्पणी अनुभाग में छोड़ने के लिए स्वतंत्र महसूस करें और मैं वापस जवाब देने में अपना सर्वश्रेष्ठ प्रयास करूंगा। तब तक खुश टिंकरिंग।