Technologie v čelovkách – Li-Ion baterie

Li-ion18650_AA_comparison

Obrázek 1: Porovnání Li-ion 18650 baterie a AA. Li-ion je o něco větší a těžší, ale uchovává v sobě čtyřnásobek energie.

Možná by Vás zajímalo, proč vlastně v čelovkách používáme li-ion baterie velikosti 18650. Mnozí by stále raději vyměňovali AA nebo AAA články, jejichž hlavní výhoda je ta, že je seženete úplně všude. Zde je drobný exkurz do světa li-ion baterií.

Úvodem

Li-ion baterie velikost 18650 jsou válcové články o průměru 18mm a délce 65mm s nominálním napětím 3.6V, které se už dlouho používají v noteboocích (po 6 nebo 9 kusech) a poslední dobou i ve svítilnách, powerbankách (přenosných zdrojích energie) nebo i elektromobilech (Tesla Roadster). Je to průmyslově vyzkoušená technologie, která se každý rok vylepšuje (zvyšuje se kapacita). Výrobců existuje jen pár, mezi nejlepšími je Panasonic (Sanyo), Samsung a LG.

Chráněné a nechráněné články

Články se vždy vyrábějí jako nechráněné články (tzv. unprotected), tzn. neobsahují v sobě žádný ochranný obvod, který by článek chránil před zkratem, podvybitím nebo přebitím.

Můžete ale narazit i na chráněné články (tzv. protected), které tuto ochranu mají a jsou kvůli tomu delší, občas i o 4 mm. Tyto články pak můžete sehnat přebalené pod značkami dalších mnoha výrobců, ale článek uvnitř bude pravděpodobně zmíněný Panasonic nebo Samsung.

Chráněné články potřebujete, pokud bateriové pouzdro nebo svítilna tuto ochranu nemá. Detailní rozbor najdete např. na stránkách http://www.lygte-info.dk. Podle těchto měření některé ochranné obvody přidávájí až 25 – 60 miliohmů, a to je poměrně dost.

V čelovce Lucifer máme jak ochranu v samotné čelovce (proti podvybití a obrácené polaritě), tak i v pouzdře s bateriemi (proti podvybití, přebití a zkratu). Ochranný obvod v čelovce nepřidává žádný odpor, protože je to jen měřič napětí (tzn. přes něj neprochází proud). Ochranný obvod v našem pouzdře přidává 6 miliohmů, díky použití kvalitních (a bohužel tím pádem i drahých) n-mosfetů s nízkým Rsdon (odpor v sepnutém stavu).

Li-ion18650_batterypack

Obrázek 2: Náš zalepený batterypack se dvěma li-ion 18650 bateriemi Panasonic NCR18650BF a ochranným článkem. Váha jen 108gr.

Dalším faktorem je spotřeba takového obvodu, jelikož spotřebovává nějaký malý proud po celou dobu – baterie jsou totiž neustále připojené. Náš ochranný obvod spotřebovává přibližně 3 mikroampéry, a to je opravdu zanedbatelný proud, který Vám baterie nevybije.

Charakteristika

Články mají nominální (průměrné) napětí 3.6V (resp. 3.7V), nabijí se na 4.2V (resp. 4.3V nebo 4.35V) a mají kapacitu až 3400mAh. V současné době Panasonic již vyrobil články s kapacitou 3600mAh, ale nejsou na trhu volně dostupné. Tato kapacita je skutečná a reálná, na rozdíl od mnoha článků neznámých i známých čínských značek (Trustfire atp.) , které uvádí přehnané hodnoty. Reálnou kapacitu takových článků můžete odhadnout podělením udávané kapacity náhodným číslem od 2 do 5 🙂

Články zcela nabité mají napětí 4.2V (4.3V,4.35V) a dají se vybít až na 2.8V (2.5V). Vybíjecí křivka se, tak jako dovolená hranice vybití a nabíjecí napětí, může u různých výrobců trochu lišit.

VybijeciKrivkaPanasonic18650

Graf 1. – Vybíjecí křivka baterie Panasonic  NCR18650BF do 2.5V proudem 1A. Dle našeho měření na modelářské nabíječce.

Procento nabití Li-ion baterie
100.00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 5.00
4.20 4.01 3.94 3.84 3.76 3.67 3.58 3.49 3.41 3.24 3.17

Tabulka 1. – procento nabití baterie Panasonic NCR18650BF dle změřeného napětí. Dle našeho měření na modelářské nabíječce.

Kapacita [mAh] Energie [Wh] Vnitřní odpor [Ohm]
3326 11.555 0.105

Tabulka 2. – Parametry baterie Panasonic NCR18650BF. Vybíjení do 2.5V proudem 1A. Dle našeho měření na modelářské nabíječce.

Výhody

Proč je tedy používáme? Jednoduše proto, že mají nejlepší poměr váhy/kapacity. Že Vám vydrží několik let bez výrazné změny kapacity (doby svícení), že je nemusíte cyklovat, že netrpí samovybíjením a že zmíněnou kapacitu dodají i pod slušnou zátěží (odběr proudu 1A a více). Jedna taková baterie může nahradit minimálně 4 AA baterie.

Nevýhody

Tak jako i jiné baterie moc nemusí zimu. Při promrznutí se jim snižuje kapacita, kterou jsou schopny dodat a článek se tím také více opotřebovává. K nabití potřebujete speciální nabíječku na li-ion baterie, např. Nitecore i2 aj.

Životnost – počet nabíjecích cyklů

Panasonic specifikuje životnost 500 plných nabíjecích cyklů (při běžném použití nenabijíte plně) než klesne kapacita na zhruba 88% původní hodnoty. Čísla jsme odečetli z následujícího obrázku v datovém listu, sami změřená je nemáme – trvalo by to roky.

Za zmínku stojí to, že měření Panasonicu bylo při nabíjecím proudu C/2 (1625mA), a to výrazně ovlivňuje pokles kapacity. Zřetelně  je to vidět na druhém přiloženém grafu od NASA, kde vybíjeli a nabíjeli starší 2900mAh článek od Panasonicu různými proudy. Je vidět, že pokles kapacity souvisí hlavně s rychlostí nabíjení.
CycleLifePanasonic18650

Graf 2. – Obrázek převzat z datasheetu baterie Panasonic NCR18650B.

CycleLifeChargingPanasonic18650

Graf 3. – Obrázek převzat z dokumentu NASA o testování li-ion baterií Panasonic NCR18650, 2900mAh. Zdroj: https://batteryworkshop.msfc.nasa.gov/presentations/Perf_Safe_Test_Panasonic_Li-Ion_NCR_18650_Cells_JRead.pdf

Pravidla pro maximální prodloužení životnosti li-ion článků 18650

Seřazené v pořadí od těch nejdůležitějších.

  1. Nenechávejte dlouhodobě zcela vybité nebo zcela nabité články. Ideálně skladujte nabité na 60%.
  2. Chraňte články během používání před mrazem. Pokud musíte, sviťte v takovém případě na minimum. Když je nepoužíváte, promrznutí jim životnost nesnižuje.
  3. Nabíjejte články pomalou nabíječkou (např. C/5 – nabíjecím proudem, který je pětinou hodnoty kapacity ) a při pokojové teplotě článků.

Cenové porovnání s AA bateriemi

Nejlepší AA baterie (Eneloop 2450mAh) lze sehnat po 4ks za přibližně 500kč. Tyto 4 kusy mají zhruba stejnou uchovanou energii (3Wh x 4ks) jako jeden článek 18650 Panasonic 3400mAh (12Wh). Ten lze koupit okolo 200kč, takže vychází 2,5-krát levněji.

Co se týče životnosti (počet cyklů), tak bych osobně favorizoval li-ion baterie, ale nemám pro to dostatek testů a podkladů, takže to berme zjednodušeně tak, že obě baterie zvládnou 500 cyklů.

Váhové porovnání s AA bateriemi

Jedna baterie AA Eneloop váží 30gr, 4 články tedy 120gr. Naproti tomu jeden Panasonic NCR18650B váží 45gr, takže je skoro 3-krát lehčí.

Cenové a váhové porovnání s Li-Pol bateriemi

Lithium-Polymer články je technologie používaná např. modeláři (RC auta, RC letadla atp.) s možností vysokého vybíjecího i nabíjecího proudu. V porovnání s Li-ion však prohrávají v obou parametrech.

Technologie baterie Název Wh/kg Cena [kč] Cena za Wh [kč]

Li-Ion

Panasonic NCR18650B

266

200

16.7

Li-Pol

9059156 – 3.7V, 10Ah

189

725

19.6

Tabulka 3. – Porovnání NCR18650BF a nejlepší Li-Pol baterie, kterou jsme nalezli na obchodu batteryspace.com. Nutno poznamenat, že uvedená cena Li-Pol je opravdu minimální možná a spíše by byla větší. Nepřipočítali jsme k ní 21% DPH (které by celníci při dovozu požadovali) ani žádné náklady na dopravu do ČR nebo převod měn (kurz 25kč/USD).

Pokud dokážete najít lepší Li-Pol baterii, tak nám to napište do komentáře a případně ji přidáme do srovnání.