Risposta rapida:
Una batteria ai polimeri di litio-ion (LiPo) da 3,7 V è una cella ricaricabile-del tipo a custodia e uno dei tipi più comuni dicelle della batteria ai polimeri di ioni di litio- utilizzato in prodotti elettronici compatti. La sua custodia laminata leggera può essere resa sottile, curva o di dimensioni personalizzate, rendendola particolarmente adatta per dispositivi indossabili, dispositivi IoT, elettronica medica, apparecchiature portatili e robotica.
Per la progettazione del prodotto, la capacità è solo una parte della decisione. La cella deve inoltre soddisfare la corrente nominale/C-di scarica continua e di picco richiesta, il profilo di carica, il circuito di protezione (PCM/BMS), la temperatura operativa, lo spazio disponibile, la configurazione di connettori e cavi e i requisiti di certificazione. Per i progetti OEM, la definizione anticipata di questi parametri aiuta a evitare cadute di tensione, calore, tempi di funzionamento ridotti, problemi di sicurezza e costose riprogettazioni.
Introduzione
La scelta di una batteria LiPo da 3,7 V inizia dallo spazio meccanico del prodotto e dal profilo di carico-non solo da un obiettivo di capacità.
Queste celle sono ampiamente utilizzate perché combinano peso ridotto, imballaggio compatto e fattori di forma flessibili. Tuttavia, una batteria che si adatta al contenitore può comunque avere prestazioni inferiori se la tensione di carica, la classificazione -, le impostazioni di protezione, l'intervallo di temperatura o il percorso di certificazione sono errati.
Questa guida spiega i parametri tecnici più importanti-dalla struttura della cella e dalla ricarica CC/CV alla capacità di scarica, protezione PCM/BMS, conservazione, sicurezza e opzioni OEM personalizzate-in modo da poter selezionare o specificare la giusta soluzione LiPo da 3,7 V nelle prime fasi del ciclo di progettazione.
1. Cos'è una batteria ai polimeri di ioni di litio da 3,7 V?
A batteria ai polimeri di ioni di litio 3,7 vè una batteria al litio ricaricabile inserita in una custodia flessibile in alluminio laminato.
Viene comunemente chiamato anche aCella lipo da 3,7 V, batteria lipo a-cella singola, OBatteria ai polimeri di litio 1S.
Le celle LiPo utilizzano una struttura a sacchetto leggera. Ciò offre ai progettisti di prodotti molta più libertà quando lavorano con involucri sottili, curvi o con spazio limitato-[1].
Chimica e principio di funzionamento
All'interno di unlipo unicellulari, la batteria combina tipicamente un materiale catodico ternario con ossido di litio cobalto (LCO), nichel manganese cobalto (NMC) con un anodo di grafite intercalato [1].
Durante la carica e la scarica, gli ioni di litio si spostano tra il catodo e l'anodo attraverso l'elettrolita.
I parametri chiave della tensione includono:
- Voltaggio nominale: 3,7 V
Questa è la tensione di lavoro media di una cella ai polimeri di litio standard in condizioni di scarica normali [1].
- Voltaggio massimo di carica: 4,20 V
Una batteria LiPo standard da 3,7 V viene normalmente caricata a 4,20 V.
- Varianti ad alta-tensione: 3,8 V/3,85 V
Avanzatolipo ad alta-tensione (LiHV)le celle possono essere caricate a 4,35 V o 4,40 V. Questi progetti vengono utilizzati quando è richiesta una maggiore densità di energia all'interno dello stesso ingombro meccanico [2].
2. Confronto tecnico: batterie agli-ioni di litio e batterie ai polimeri di litio
Gli ingegneri spesso confrontano le celle ai polimeri di litio del tipo-a custodia con le celle cilindriche agli ioni di litio-come18650E21700formati [3].
Entrambe le tecnologie utilizzano la chimica degli ioni di litio-, ma la loro struttura meccanica crea importanti differenze.
|
Parametro |
Polimeri di ioni di litio- da 3,7 V (LiPo) |
Ioni di litio- cilindrici (18650/21700) |
|
Fattore di forma |
Custodia flessibile, ultra-sottile, forme curve o personalizzate |
Barattolo cilindrico rigido in acciaio o alluminio |
|
Densità gravimetrica di energia |
Elevato grazie al peso inferiore dell'imballaggio e all'assenza di un involucro in acciaio pesante |
Da alto a molto alto |
|
Flessibilità volumetrica |
Eccellente per dimensioni personalizzate e involucri meccanici stretti |
Dimensioni standard fisse come 18 mm × 65 mm |
|
Resistenza interna (IR) |
Può supportare velocità di scarica elevate con design ottimizzati di elettrodi impilati |
Da basso a moderato a seconda della chimica e della costruzione della cella |
|
Meccanismo di sicurezza |
La custodia potrebbe espandersi o gonfiarsi in caso di uso grave |
Può includere CID, PTC e protezione da scoppio [4] |
|
Peso |
Peso altamente-ottimizzato |
Più pesante a causa della struttura della lattina in metallo |
Per molti prodotti portatili, la decisione spetta alla progettazione meccanica.
Se la custodia ha un vano batteria cilindrico fisso, un 18650 o 21700 potrebbe essere la scelta migliore.
Se lo spazio disponibile è ridotto, irregolare, curvo o altamente personalizzato, aBatteria ai polimeri di ioni di litio- da 3,7 Vdi solito offre al team di progettazione maggiore flessibilità.
A batteria al litio a cella singola da 3,7 Vnon deve essere collegato direttamente a un alimentatore CC fisso.
Richiede un controlloProfilo di carica CC/CV, che significa carica a corrente costante/tensione costante [3], [5].
Questo metodo di ricarica è standard per le celle agli ioni di litio- e ai polimeri di litio.
Fase a corrente costante (CC).
Il caricabatterie fornisce innanzitutto una corrente di carica regolata.
Una tipica tariffa di ricarica standard è di circaDa 0,5°C a 1°C, a seconda delle specifiche della cella.
Durante questa fase la tensione della batteria aumenta gradualmente fino a raggiungere la soglia massima di carica di circa4.20V [5].
Fase a tensione costante (CV).
Una volta che la cella raggiunge4,20 V ± 50 mV, il caricabatterie mantiene la tensione costante.
La corrente di carica inizia quindi a diminuire [5].
Questa fase consente alla batteria di raggiungere la piena capacità senza aumentare continuamente la tensione ai terminali.
Terminazione della carica
La ricarica termina quando la corrente scende al livello di interruzione specificato.
Un intervallo di terminazione comune è di circada 0,02°C a 0,05°C [5].
Tensione di interruzione di scarica
Il limite operativo inferiore è in genere intorno3.00V.
Scarico profondo al di sotto di circa2.50V–2.80Vpuò causare un grave degrado cellulare. Potrebbe anche aumentare il rischio di scioglimento del collettore di corrente in rame, cortocircuiti interni e perdita permanente di capacità [6].
4. Comprendere la classificazione C-e le curve di scarica
ILC-classificazionedescrive la corrente di carica o scarica relativa alla capacità nominale della batteria.
Il calcolo di base è:
Corrente (A)=Capacità (Ah) × C-Tasso
Per esempio:
Una batteria da 1000mAh equivale a 1Ah.
A 1C:
1Ah × 1C=1A
A 5°C:
1Ah × 5C=5A
Questo è il motivo per cui la valutazione C-è così importante quando si seleziona unBatteria lipo da 3,7 Vper diverse applicazioni.
►Dispositivi di scarico-bassi e di standby: 0,2°C–1°C
Questo intervallo è comune per i prodotti che danno priorità all'autonomia e alla durata del ciclo rispetto alla corrente di picco.
Le applicazioni tipiche includono:
- Sensori IoT
- Indossabili intelligenti
- Dispositivi di localizzazione medica
- Dispositivi Bluetooth
- Sistemi di monitoraggio a basso- consumo energetico
Per questi prodotti, la scarica stabile e la bassa autoscarica- sono solitamente più importanti dell'emissione di corrente estrema.
► Scarica media continua: 2°C–5°C
Questa gamma è più adatta per dispositivi con una richiesta di energia moderata.
Le applicazioni tipiche includono:
- Terminali POS mobili
- Scanner industriali portatili
- Trasmettitori RF
- Elettronica portatile
- Piccoli motori e attuatori
La batteria deve mantenere una tensione stabile fornendo allo stesso tempo una corrente continua più elevata.
► Pacchetti LiPo ad alta- velocità: 15°C–30°C+ burst
Pacchetti LiPo ad alta- velocitàsono progettati per applicazioni che necessitano di correnti di picco molto elevate.
Esempi tipici includono:
- Multicotteri
- Droni commerciali
- Robotica
- Attrezzatura RC
- Servoattuatori dinamici
- Sistemi portatili ad alta-potenza
Queste applicazioni possono richiedere prestazioni di scarica a raffica a 15°C, 20°C, 25°C, 30°C o superiori.
Selezionare la classificazione C-giusta è fondamentale.
Una batteria con capacità di scarica insufficiente potrebbe subire un calo di tensione eccessivo, generazione di calore, scarsa autonomia o ciclo di vita ridotto.
5. Protezione della batteria: perché PCM e BMS sono obbligatori
Le batterie al litio richiedono condizioni operative controllate.
Sovraccarico,-scarica eccessiva, cortocircuiti, corrente eccessiva e temperature anomale possono creare rischi per la sicurezza.
Questo è il motivo per cui molti progetti di pacchi batteria integrano unModulo del circuito di protezione (PCM)OSistema di gestione della batteria (BMS).
Per le applicazioni con batterie al litio portatili, la valutazione della sicurezza può coinvolgere anche standard comeCEI 62133 [4], [7].
Tipica struttura di protezione LiPo da 3,7 V
► Protezione da sovraccarico
Il PCM disconnette il percorso di ricarica se la tensione della cella supera la soglia di protezione da sovraccarico specificata.
Potrebbe essere presente un tipico intervallo di protezione4.25V–4.30V [4].
Ciò aiuta a evitare che la batteria rimanga a una tensione di carica non sicura.
► Protezione-da scarica eccessiva
Il circuito di protezione disconnette il carico quando la tensione della cella scende al di sotto del livello di interruzione specificato.
Potrebbe esserci un intervallo tipico2.40V–2.50V [4].
Ciò aiuta a ridurre il rischio di danni da scarica profonda.
► Protezione da cortocircuito e sovracorrente
Gli interruttori MOSFET-ad azione rapida possono scollegare la batteria quando la corrente supera il limite progettato.
Ciò protegge la cella e l'elettronica collegata durante:
- Cortocircuiti esterni
- Condizioni di stallo del motore
- Corrente di carico eccessiva
- Difetti di cablaggio
- Picchi di corrente anomali
Per le applicazioni ad alta-corrente, le impostazioni PCM devono corrispondere sia alla cella della batteria che al profilo di carico effettivo.
► Gestione termica con un termistore NTC
UNTermistore NTCpuò essere aggiunto per monitorare la temperatura della batteria.
Il dispositivo host o il caricabatterie può utilizzare questo segnale di temperatura per interrompere la ricarica quando la batteria è al di fuori dell'intervallo operativo approvato.
Un intervallo di temperatura di ricarica comune è di circaDa 0 gradi a 45 gradi, sebbene il limite effettivo dipenda dalle specifiche della cella [7].
Per i dispositivi medici, i dispositivi indossabili, i dispositivi elettronici per esterni e le applicazioni ad alta-potenza, il monitoraggio termico può rappresentare una parte importante della progettazione della sicurezza della batteria.
6. Applicazioni-del mondo reale
Il vantaggio principale della tecnologia dei polimeri di litio è la flessibilità di progettazione.
A batteria ricaricabile ai polimeri di litiopuò essere costruito in molti spessori, capacità, forme, velocità di scarico e configurazioni di filo.
Ciò lo rende adatto ad una vasta gamma di prodotti.
► Dispositivi indossabili e dispositivi da polso intelligenti
Indossabilispesso hanno uno spazio interno molto limitato.
La forma della batteria è importante tanto quanto la capacità della batteria.
I possibili design includono:
- Batterie LiPo a forma di arco-
- Celle LiPo curve
- Batterie ai polimeri di litio ultra-sottili
- Piccole cellule a sacchetto
- Batterie ai polimeri di litio-con forma personalizzata
Le applicazioni tipiche includono:
- Smartwatch
- Braccialetti medici
- Tracker di fitness
- Anelli intelligenti
- Monitor sanitari indossabili
Per questi progetti, potrebbe essere necessario che le dimensioni della batteria seguano l'involucro del prodotto anziché il contrario.
► IoT intelligente e sensori remoti
prodotti IoTdi solito necessitano di un basso consumo energetico e di una lunga durata in standby.
Una cella a sacchetto ben-selezionata può supportare:
- Sensori senza fili
- Tracker delle risorse
- Dispositivi GPS
- Apparecchiature per il monitoraggio remoto
- Dispositivi domestici intelligenti
- Nodi IoT industriali
Per i prodotti IoT di lunga-durata, gli ingegneri dovrebbero valutare l'auto-scarica, la corrente di standby, la temperatura operativa e la frequenza di ricarica.
► Dispositivi Medici Diagnostici
Elettronica medicaspesso richiedono prestazioni costanti della batteria e un rigoroso controllo di qualità.
Le applicazioni possono includere:
- Apparecchiature diagnostiche portatili
- Dispositivi di monitoraggio medico
- Sensori sanitari indossabili
- Attrezzatura di prova portatile
- Sistemi di tracciamento dei pazienti
A seconda del prodotto e del mercato, la qualificazione della batteria può comportareISO 13485controlli di produzione eCEI EN 62133-2requisiti di sicurezza [7].
► Operazioni Sub-Zero
Le batterie al litio standard perdono prestazioni alle basse temperature.
Per le apparecchiature per esterni e i dispositivi elettronici-per ambienti freddi, potrebbero essere necessarie formulazioni specializzate per basse-temperature.
Alcuni progetti possono mantenere un rendimento utile a temperature fino a circa-40 gradi.
Le applicazioni tipiche includono:
- Dispositivi di localizzazione all'aperto
- Monitoraggio-della catena del freddo
- Elettronica per gli sport invernali
- Sensori industriali
- Apparecchiature per il monitoraggio remoto
Batteria a bassa-temperatura la scelta dovrebbe considerare sia le prestazioni di scarica che i limiti di carica.
►Droni commerciali e robotica
Dronie la robotica necessita di elevata potenza in un pacchetto leggero.
Queste applicazioni utilizzano spessopacchi multicella-con scarica ad alta velocità-in grado di erogare corrente continua o burst di cui sopra25C.
I parametri di progettazione importanti includono:
- Corrente di scarica continua
- Corrente di scarica di picco
- Abbassamento di tensione
- Resistenza interna
- Peso della batteria
- Corrispondenza delle celle
- Prestazioni termiche
Per questi prodotti, scegliere semplicemente una batteria ad alta-capacità non è sufficiente.
La batteria deve inoltre fornire la corrente richiesta senza eccessivo calore o caduta di tensione.
7. Conservazione, cura e sicurezza: evitare il rigonfiamento della batteria
Una tipica cella ai polimeri di litio può fornire circaDa 300 a 500 cicli di ricaricaprima che la capacità scenda al di sotto di circa l'80% del suo valore originale in condizioni di prova specificate [8].
La durata effettiva della batteria dipende in larga misura da come la cella viene caricata, scaricata, conservata e utilizzata.
► Stato di archiviazione-di-carica: 3,80 V–3,85 V
Per la conservazione a lungo-termine, evitare di mantenere la batteria sempre a carica completa.
Una cella LiPo standard completamente carica è in giro4.20V.
Per la conservazione, una tensione di cella intorno3.80V–3.85V, o approssimativamenteStato di carica 40%–50%., può contribuire a ridurre il-degrado a lungo termine [8].
Ciò è particolarmente importante quando i prodotti finiti possono rimanere nei magazzini per diversi mesi prima dell'uso.
► Attenuare il rigonfiamento cellulare
Il rigonfiamento della batteria è solitamente causato dalla generazione di gas all'interno della custodia.
Ciò può derivare dalla degradazione dell'elettrolita e dalla rottura dell'interfase dell'elettrolita solido, o SEI [6].
Le cause comuni includono:
- Esposizione a lungo termine-a temperature elevate
- Sovraccarico
- Carica superiore alla tensione specificata
- Grave sovra-scarica
- Cortocircuiti interni
- Danno meccanico
- Invecchiamento cellulare
- Condizioni di ricarica non corrette
La generazione di gas può includere CO2, CO e idrocarburi [6].
Una batteria ai polimeri di litio gonfia deve essere rimossa dal servizio.
Non deve continuare a essere caricato o utilizzato nel prodotto.
► Smaltimento sicuro
Le batterie al litio danneggiate, gonfie, invecchiate o-a-fine vita devono essere smaltite in conformità ai requisiti locali applicabili in materia di batterie e rifiuti elettronici.
Utilizza canali approvati per il riciclaggio delle batterie o la raccolta dei rifiuti elettronici-.
Non gettare le batterie ai polimeri di litio nei normali rifiuti domestici.
8. Soluzioni personalizzate ai polimeri di litio da 3,7 V di Blumoti
Le dimensioni-delle-batterie disponibili in commercio non sono adatte a tutti i prodotti.
In molti progetti di elettronica compatta, la scelta della batteria inizia dallo spazio meccanico disponibile.
Shenzhen Blumoti Energia Co., Ltd.fornisce soluzioni di batterie personalizzate per applicazioni in cui le dimensioni standard della custodia, la velocità di scarica, la lunghezza dei cavi, i connettori o i circuiti di protezione non soddisfano i requisiti di progettazione.
► Fattori di forma personalizzati
Batterie ai polimeri di litio personalizzatepuò essere progettato in base a specifici requisiti meccanici.
Le opzioni possono includere:
- Batterie LiPo curve
- Batterie ultra-sottili inferiori a 1,0 mm
- Batterie a forma di L-
- Celle a sacca circolare
- Piccole batterie ai polimeri di litio
- Larghezze e lunghezze personalizzate
- Intervalli di capacità personalizzati
- Forme speciali delle batterie
L'obiettivo è semplice: inserire una maggiore capacità utilizzabile della batteria nello spazio già disponibile all'interno del prodotto.
► Cavi, connettori e schede di protezione personalizzati
Una soluzione completa di batterie può includere anche:
- Scheda di protezione PCM
- Lunghezza del filo personalizzata
- connettori JST
- connettori Molex
- connettori PH2.0
- Connettori XH2.5
- Termistore NTC
- Polarità del connettore personalizzata
- Isolamento della batteria
- Etichette personalizzate
Ciò può ridurre il lavoro di assemblaggio secondario durante la produzione del prodotto finale.
► Certificazioni globali
Mercati e applicazioni diversi potrebbero richiedere documenti di conformità della batteria diversi.
Blumoti fornisce supporto per la certificazione tra cui:
- ONU38.3
- UL1642
- CE
- CEI EN 62133-2
- RoHS
- KC
Questi requisiti possono influenzare sia lo sviluppo del prodotto che la spedizione internazionale [4], [7], [9].
Per i progetti OEM e ODM, i requisiti di certificazione dovrebbero essere discussi in anticipo.
Aspettare la produzione di massa per confermare la certificazione può creare inutili ritardi.
9. Domande frequenti
01.Qual è la differenza tra una batteria LiPo da 3,7 V e una da 3,8 V?
Una normaBatteria LiPo da 3,7 Vnormalmente addebita a4.20V.
A Batteria LiPo ad alta-tensione da 3,8 V o 3,85 V, detto anche aBatteria LiHV, utilizza una chimica progettata per una tensione di carica più elevata.
A seconda del design della cella, può essere raggiunta la massima tensione di carica4,35 V o 4,40 V [2].
La tensione di carica più elevata può aumentare la densità energetica volumetrica.
Tuttavia, il caricabatterie deve supportare la tensione massima corretta.
Non si deve presumere che un caricabatterie LiPo standard da 4,20 V supporti automaticamente una batteria LiHV da 4,35 V o 4,40 V.
02.Posso caricare una batteria LiPo da 3,7 V direttamente con una porta USB da 5 V?
NO.
A Batteria ai polimeri di litio da 3,7 Vnon deve essere collegato direttamente a un'alimentazione USB da 5 V.
La batteria richiede un appositoCircuito di carica della batteria al litio CC/CV.
I controller di ricarica comuni includono dispositivi comeTP4056EMCP73831.
Il circuito di carica controlla la corrente durante la fase CC e limita la tensione della batteria a circa4.20Vdurante la fase CV [5].
Ciò protegge la batteria da un sovraccarico incontrollato.
03. Quanto dura una batteria ai polimeri di litio da 3,7 V?
SLe celle a sacca standard LiCoO2 o NMC in genere forniscono circaDa 300 a 500 cicli di ricarica completa-scaricaprima che la capacità scenda al di sotto di circa l’80% della capacità nominale originale in condizioni di prova standard [8].
La durata effettiva del ciclo dipende da diversi fattori:
- Tensione di carica
- Profondità di scarico
- Tasso di addebito
- Tasso di scarico
- Temperatura operativa
- Temperatura di conservazione
- Stato di carica durante la conservazione
- Qualità della batteria
- Profilo di carico dell'applicazione
Una batteria utilizzata a temperatura moderata e con una moderata profondità di scarica dura generalmente più a lungo di una esposta ad alta temperatura, cicli profondi o conservazione continua ad alta-tensione.
04.Cosa causa il rigonfiamento di una batteria ai polimeri di litio da 3,7 V?
Il rigonfiamento è causato dalla generazione di gas all'interno della cella della sacca.
Ciò di solito deriva dalla degradazione dell'elettrolita o dalla rottura del SEI [6].
Le cause comuni includono:
- Carica flottante a lungo termine- vicina o superiore a 4,20 V
- Tensione di carica eccessiva
- Temperature di esercizio superiori a circa 60 gradi
- Cortocircuiti interni
- Danno meccanico
- Invecchiamento grave
- Sovra-scarica inferiore a circa 2,50 V
Una batteria gonfia deve essere rimossa dal servizio e gestita attraverso un canale di riciclaggio delle batterie appropriato.
Riferimenti e norme tecniche
[1] Linden, D. e Reddy, TB
Manuale delle batterie, 4a edizione.McGraw-Hill Education.
Tratta l'architettura delle celle a sacca, gli elettroliti polimerici e la chimica dell'intercalazione degli ioni di litio-.
[2] Schipper, F., et al. (2017).
"Recensione: recenti progressi e prospettive dei materiali catodici per le batterie agli ioni di litio-."
Materiali energetici avanzati, 7(8), 1602873.
Copre materiali catodici ad alta-tensione e meccanismi LiHV da 4,35 V–4,40 V.
[3] Università della batteria, Cadex Electronics.
BU-206: Polimeri di litio: sostanza o pubblicità?
BU-409: ricarica degli ioni di litio.
Fornisce informazioni di riferimento del settore sulla struttura dei polimeri di litio, sulla ricarica CC/CV e sui fattori di forma della batteria.
[4] UL1642.
Standard per la sicurezza delle batterie al litio.
Laboratori di sottoscrizione.
Copre cortocircuito-, sovraccarico, abuso meccanico e altre valutazioni sulla sicurezza della batteria al litio.
[5] Texas Instruments e tecnologia dei microchip.
Nota applicativa AN2175: Metodi di carica per celle agli ioni di litio/polimeri.
Fornisce indicazioni tecniche sulla ricarica a corrente costante/tensione costante e sulla terminazione della carica.
[6] Arora, S., et al. (2016).
"Una revisione sul degrado e sui meccanismi di sicurezza delle batterie agli ioni di litio-."
Giornale delle fonti di energia, 312, 142–157.
Vengono discussi il degrado dell'elettrolita, la generazione di gas, i meccanismi di rigonfiamento e la dissoluzione del rame durante una grave scarica eccessiva.
[7] IEC 62133-2:2017.
Celle secondarie e batterie contenenti elettroliti alcalini o altri elettroliti non acidi - Requisiti di sicurezza per celle e batterie secondarie al litio portatili sigillate.
Commissione Elettrotecnica Internazionale.
[8] Ecker, M., et al. (2014).
"Studio del calendario e del ciclo di vita delle cellule a base di Li(NiMnCo)O2/LiCoO2."
Giornale delle fonti di energia, 248, 839–851.
Fornisce dati di riferimento sull'invecchiamento del calendario degli ioni di litio-, sulla durata del ciclo, sul mantenimento della capacità e sulle condizioni di conservazione.
[9] Commissione economica per l'Europa delle Nazioni Unite (UNECE).
Manuale delle prove e dei criteri delle Nazioni Unite, parte III, sotto-sezione 38.3 - UN38.3.
Definisce i requisiti internazionali di test per il trasporto di celle e batterie al litio.
