Зарядка литиевый аккумулятор: Как заряжать литиевый аккумулятор: виды зарядных устройств

Как заряжать литиевый аккумулятор: виды зарядных устройств

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 11-08-2020

На данный момент, в зависимости от сферы применения, наиболее популярными являются два вида аккумуляторных батарей: литиевые и свинцово-кислотные. Свинцовые аккумуляторы постепенно теряют популярность, так как не отличаются высокой плотностью энергии и длительным ресурсом. Если требуется максимально компактный источник питания, всегда выбор падает именно на литиевые АКБ.

Как и в случае со свинцово-кислотными аналогами, литиевые аккумуляторные батареи делятся на множество типов. Наиболее распространенными являются литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol). Именно они используются в мобильных гаджетах и даже в электрокарах. К примеру, в Tesla model S установлено более 7 тысяч литий-ионных аккумуляторов Panasonic Li-ion NCR18650B.

Большая часть техники, где используются литиевые аккумуляторы, имеют встроенные механизмы зарядки, поэтому пользователю требуется лишь подключиться к электросети. В иных случаях заряд требуется осуществлять самостоятельно. Чтобы аккумулятор служил долго, его требуется правильно заряжать.

Как заряжать литиевый аккумулятор, чтобы ему не навредить? Несмотря на очевидность, попробуем разобраться, чем заряжать литиевый аккумулятор можно, а чем — нельзя.

 

Что надо знать об аккумуляторе

Процесс заряда всегда зависим от того, какой аккумулятор заряжается. Нельзя одинаковым режимом пополнять заряд разных по характеристикам и типам моделей.

Если обобщить, то приблизительно подобрать правильный режим заряда можно при наличии данных о типе аккумулятора, его емкости и напряжении.

• Тип АКБ. Почему важно знать тип? Достаточно сравнить номинальное напряжение литий-титанатного и литий-ионного аккумулятора. 2,4В и 3,7В соответственно. Нетрудно догадаться, к каким последствиям может привести заряд литий-титанатной батареи неким абстрактным зарядным устройством для литиевого аккумулятора, которое предназначено именно для Li-ion.
• Емкость АКБ. Данный параметр заряжаемого аккумулятора важен из-за того, что ток, как правило, подбирается в процентном соотношении к номинальной емкости. Литий-ионные аккумуляторы, например, не рекомендуется заряжать током выше, чем 0,5С-1С (ток, равный 50% и 100% соответственно по отношению к емкости в ампер-часах). Этот показатель может значительно меняться от модели к модели. Яркий тому пример — литий-титанатные АКБ, некоторые модели которых позволяют зарядку токами, в сотни раз превышающими номинальную емкость.
• Напряжение АКБ. Тип литиевого аккумулятора говорит лишь о напряжении одной ячейки или отдельного элемента питания, состоящего из одной ячейки. Тем не менее, для выбора зарядного устройства или подходящего режима на уже имеющемся ЗУ, надо знать суммарное напряжение всей цепи, так как оно может быть многократно нарощено путем последовательного соединения ячеек. В уже готовых аккумуляторах на основе множества ячеек напряжение всегда указано в маркировке.

Как зарядить АКБ

Нередко пользователи интересуются в сети, как заряжать литиевый аккумулятор мотоцикла. Учитывая, что литиевый АКБ для мотоцикла — это устройство фабричное, а не самодельное, вся важная информация, в том числе и ток заряда, обычно размещена на бирке. Другое дело — это когда имеется элемент питания, собранный из одной или множества ячеек, в том числе из упомянутых ранее аккумуляторов panasonic.

Важно учитывать наличие в аккумуляторе или в схеме защиты в виде BMS. BMS — это контроллер, который выполняет сразу множество функций. Он может защищать элементы питания от опасных значений напряжения и тока, балансировать элементы на последних стадиях заряда, а также осуществлять регулировку подаваемого напряжения. Зарядка литий-ионных аккумуляторов напрямую может представлять опасность для АКБ, особенно если используется кустарное ЗУ. Применять кустарные приспособления как на основе трансформатора с диодным мостом, так и на основе переделанных компьютерных блоков питания не рекомендуется даже для свинцово-кислотных АКБ.

Если по какой-то причине в литиевом аккумуляторе отсутствует BMS, на ЗУ требуется выставить напряжение, являющееся максимальным для данного типа батарей. К примеру, литий-ионные АКБ при полном заряде выдают 4,2В на одну ячейку, а LiFePO4 — 3,65. Если ток, при этом, превышает 0,5С, рекомендуется его ограничить. Если ЗУ не позволяет регулировать ток, понизить его можно путем снижения выходного напряжения. Как только оно будет достигнуто, его можно поднять до конечного показателя, соответствующего полному заряду аккумулятора.

В случае с литиевыми аккумуляторами, оборудованных BMS (к счастью, таких большинство), все куда проще. Контроллер попросту не допустит подачу опасных номиналов тока и напряжения. Единственное исключение — это когда пользователь самостоятельно припаивает BMS к своей сборке батарей. В таком случае нельзя гарантировать, что контроллер настроен верно в соответствии с требованиями, предъявляемыми конкретным блоком аккумуляторов. В принципе, если пользователь делает сборку АКБ и самостоятельно припаивает контроллер — видимо, он знает, что делает.

Как бы там ни было, лучшим способом безопасно и на 100% зарядить аккумуляторную батарею любого типа — это использовать умное зарядное устройство, работающее в автоматическом режиме. Такое устройство не просто выдает постоянный ток с определенным номиналом напряжения, а изменяет режим заряда в зависимости от стадии. Также важным преимуществом являются многочисленные настраиваемые параметры, позволяющие использовать один и тот же прибор с абсолютно разными сборками аккумуляторов.

К выбору зарядного устройства следует относиться максимально серьезно, так как во многом от качества заряда зависит срок службы аккумулятора. И если аккумулятор состоит из множества ячеек с высокой суммарной стоимостью, то даже небольшое увеличение срока службы экономит заметную сумму.

Как заряжать литий-ионные аккумуляторы

Li-ion аккумуляторы в последнее время широко используются в самых различных устройствах – от электрических автомобилей до смартфонов и игрушек. Учитывая, что такие элементы питания чрезвычайно требовательны к уровню напряжения при зарядке, важно использовать штатные зарядные устройства. Если вы хотите, чтобы любой аккумулятор служил вам максимально долго, требуется придерживаться при его зарядке нескольких простых правил. Каковы эти правила для литий-ионных аккумуляторов, мы и расскажем в этой статье.

В первую очередь важно понимать, что современные литий-ионные аккумуляторы существенно отличаются от более распространенных ранее кадмиевых или литий-металлогидридных элементов питания – как нюансами самого процесса подзарядки, так и особенностями эксплуатации и хранения. А значит следует забыть те рекомендации, которые были усвоены Вами ранее относительно предшественников Li-ion аккумуляторов, и усвоить новые. 

Правильная зарядка литий-ионных аккумуляторов.

Если речь идет о новом аккумуляторе, перед использованием в любом устройстве его нужно зарядить. Что касается аккумуляторов данного типа для электровелосипедов и других средств электротранспорта, то самой распространенной ошибкой при первой эксплуатации аккумуляторов является их использование непосредственно после покупки. Начинающие драйверы часто считают, что АКБ продаются в заряженном виде. Это действительно так – производители заряжают аккумуляторы, однако только наполовину, и без первой полноценной зарядки емкость и срок службы АКБ снижается.

Другой важный момент – не рекомендуется доводить аккумулятор до полного разряда. После каждой даже самой непродолжительной поездки на электросамокате или на электровелосипеде аккумулятор следует подзарядить. Если Вы усвоите данное правило, то сможете значительно увеличить срок жизни АКБ. Таким образом, сразу же после разрядки литий-ионного аккумулятора его необходимо поставить на подзарядку.

К сожалению, часто неквалифицированные продавцы рекомендуют покупателям довести аккумулятор до полного разряда после первого заряда. Категорически не рекомендуем делать это – так вы рискуете столкнуться с внезапным выходом новой АКБ из строя. Возможно, нерадивые продавцы дают такую рекомендацию из корыстных побуждений -ведь когда аккумулятор выйдет из строя вам потребуется купить новый.

Литий-ионные АКБ очень чувствительны к высоким температурам, поэтому старайтесь не допускать их чрезмерного нагрева. При эксплуатации аккумулятора при температуре в пределах +25 градусов достигается максимальный ресурс и наибольшая отдача тока. Поэтому следите за тем, чтобы аккумулятор не оставался долго под солнцем и избегайте хранить АКБ в помещении, где температура выше указанного максимума.

В том случае, если литий-ионный аккумулятор продолжительное время находился на холоде, перед зарядкой его необходимо прогреть до комнатной температуры. Заряжать АКБ сразу после нахождения на морозе нельзя. Такие резкие температурные колебания могут нанести аккумулятору непоправимый вред.

И последняя важная рекомендация: при длительном перерыве в эксплуатации аккумулятор лучше хранить в холодном месте – зимой, к примеру, на неотапливаемом балконе или в гараже. Это продлит срок его жизни.

Сам процесс зарядки Li-ion аккумулятора не представляет сложности – необходимо сначала присоединить его к штатному устройству для зарядки, а потом соединить устройство с электрической сетью. После того, как полный заряд будет получен, просто отключите аккумулятор от ЗУ.

Перейти в раздел Li-ion аккумуляторов

Как правильно заряжать литий-ионные и литий-полимерные

Как, по вашему мнению, правильно заряжать литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы в гаджетах, электроинструментах и электромобилях?

1. 1. Часто подключать к заряднику и заряжать понемногу;
2. 2. Заряжать как можно реже и стараться на максимум до 100%.

Теме сто лет в обед и только ленивое околотехническое издание не написало заметку, как зарядить телефон, чтобы долго работал. Предлагаем поставить точку с опорой на научные факты.

Как правильно заряжать батарею — часто и понемногу или редко и на максимум?

С точки зрения бытового использования вы можете забыть об этом вопросе и делать так, как вам лично удобнее.

По плану производителей, важнее всего максимальный комфорт пользователя. То есть при эксплуатации не стоит даже задумываться о технических нюансах в течение всего запланированного срока службы — от двух до пяти лет в среднем для большинства моделей портативной электроники.

Гаджеты защищены от неправильной зарядки

С телефонами и электромобилями, ноутбуками и планшетами, смарт-часами и прочими гаджетами на литий-ионных и литий-полимерных батареях для пользователя не должно быть никакой разницы — часто заряжать или редко, понемногу или на максимум.

Мы в своё время пошли немного дальше и сделали узкоспециализированные рекомендации, как зарядить телефон, чтобы долго работал. Каждый совет имеет за собой инженерные исследования, опубликованные в Battery University и на прочих профессиональных профильных сайтах вроде All-Electronics.de или Energy University.

В этих рекомендациях есть уточнения, которые помогут немного продлить срок службы аккумуляторов и уберечь их от неполадок.

1. Новый телефон

Если вы только что купили свежую модель смартфона (или планшета — у них одинаковая химия в аккумуляторе), то уберечься от ошибок поможет специально проработанная инструкция. Главное запомнить, что любой новый гаджет на Li-Ion- и Li-Poly-батареях первым делом заряжают, а не разряжают.

2. Новый аккумулятор в телефоне

После замены аккумулятора правила немного отличаются, ведь процесс изготовления, тестирования и поставки элемента питания вне корпуса телефона уже другие и здесь тоже есть на что обратить внимание. Например, не лишним будет «потренировать» двумя-тремя циклами заряд-разряд.

3. Все гаджеты на Li-Ion и Li-Poly

Для прочей мобильной электроники в целом действуют те же самые «телефонные» правила: для смарт-часов, для квадрокоптеров, для наушников, всевозможных компонентов умного дома (тот самый интернет вещей или IoT, о котором все говорят) и других гаджетов. На всякий случай собрали все эти знания в одном месте.

4. Чем заряжать, как и когда?

В этой статье мы разобрали массу популярных вопросов, которые вы нам задаёте в группе Neovolt Вконтакте о зарядниках. Можно ли пользоваться телефоном во время зарядки, есть ли вред от быстрой зарядки, какой адаптер выбрать, какой для машины от USB-прикуривателя и так далее. Этот материал мы часто перечитываем сами, когда что-то забывается.

5. Зарядка по ночам без присмотра

Заслуживающая отдельного внимания тема, которая волнует и нас самих. Как понять ответ многих инженеров и специалистов на эту тему: «Можно, но не нужно». То есть можно оставить, но чем тогда закончится, если «не нужно» так делать? Прояснили, чем всё грозит при недолгом оставлении или на пару недель, и почему производители разрешают надолго оставлять подключённый к розетке телефон.

6. До скольки процентов заряжать?

Если честно, то эта статья идеализирована — как раз о максимальной (теоретической) заботе об аккумуляторе, когда вы сможете продлить его срок службы так сильно, как никто другой в этом мире. Общее правило зарядки 20%-80% здесь расписано по пунктам.

7. Так ли страшна разрядка в ноль?

Пожалуй, самый популярный вопрос за всю историю нашей компании Neovolt, которой, между прочим, уже больше 12 лет. Насколько опасно разряжать гаджеты до полного выключения (или даже «потом включить, он ещё немного поработает и опять выключится»)? На самом деле неопасно. В каких случаях это полезно, в каких ни в коем случае нельзя допускать — всё это имеет не домыслы, не переписано с интернета, а основано на научных фактах.

8. Постоянно держать ноутбук на зарядке

Рекомендуем всем владельцам ноутбуков не держать их постоянно на зарядке в розетке. По возможности лучше вытаскивать батарею, когда она не нужна. В остальных случаях (например, нельзя или сложно извлекать аккумулятор) заряжайте и затем используйте батарею, не держите её всегда в состоянии «капельной дозарядки» — все подробности на примере макбуков, официальной позиции Apple и научных фактов, конечно же.

Что-нибудь может измениться с тем, как часто заряжать аккумулятор?

Да, может. В будущем процесс зарядки будет отличаться — учёные уже сейчас активно исследуют двумерные решёточные системы для понимания всех процессов и электрохимических свойств аккумуляторов. Они получают идеализированное и всё более точное представление о химических процессах внутри аккумулятора.

Сегодня электрохимические исследования «на коне». Ведь разработки в области накопления энергии сейчас особенно востребованы в концернах автомобилестроения, которые переходят к электромобилям.

Известно, что в аккумуляторах тепло распространяется и рассеивается. Но на сохранение энергии влияет и то, каким образом она доставляется, технически говоря, насколько точно «выравнивается доставка». И вот учёные выяснили, что доставка эффективнее всего при методе «реже и до максимума». Процитируем научную публикацию.

Учёные из Польской академии наук:

Мы заметили, что количество энергии, которое может хранить система, варьируется в зависимости от размера порции энергии и частоты её подачи. Наибольший показатель происходит, когда порции доставки энергии велики, но промежутки времени между их подачей также велики.

Интересно, что, оказывается, если мы разделим этот тип системы хранения внутри на отсеки или ячейки, то количество энергии, которая может храниться в такой разделенной батарее (если бы её можно было построить) увеличивается. Другими словами, три маленьких батареи могут хранить больше энергии, чем одна большая.

Мы в свою очередь хотели бы отметить, всё это верно при условии, что общее количество энергии, вводимой в систему, остаётся неизменным. То есть меняется только способ её доставки.

Исследование, надо сказать, носит теоретический (базисный) характер. До практики, как мы уже говорили в материале о мошенниках-учёных, пока ещё неблизко. Но вполне ожидаемо претерпит изменения фундаментальный принцип, с которым будут разрабатываться аккумуляторы для будущих гаджетов и программное обеспечения для управления ими.

→ Полная версия научной публикации Польской академии здесь.

Уже сейчас это исследование предлагает возможность зарядки электромобиля не за нескольких часов, а за чуть менее двадцати минут, предлагая тем самым значительное увеличение мощности таких батарей, не изменяя их объём. Достаточно просто изменив путь определения оптимальной периодичности подачи энергии.

Узнайте больше о батареях

Каких методов вы придерживаетесь при зарядке гаджетов? Поделитесь опытом длительного использования аккумулятора — напишите в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Заряжаем литий ионный аккумулятор правильно

Зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов очень похоже на зарядное для свинцово- кислотных, за тем лишь исключением, что у Li-ion аккумуляторов значительно выше напряжение на каждой банке и более жёсткие требования к допускам по напряжению.

Банкой называют литий ионные элементы питания за из схожесть по форме на алюминиевую банку из-под прохладительных напитков (напр. coca-cola) Самым распространенным элементом такой формы является банка формата 18650. То есть 18 мм в диаметре и 65 мм в высоту.

В то время, когда для свинцово-кислотных аккумуляторов возможны некоторые неточности в установке граничных напряжений при зарядке, с литий-ионными все гораздо жёстче. Во врем заряда, когда напряжение на элементе возрастает до 4,2 вольта, должно прекращаться подача напряжения на элемент питания. Разрешенный допуск в напряжении всего 0,05 вольт.

Средний литий-ионный аккумулятор заряжается около 3 часов. Однако точное время зарядки, все же зависит от ёмкости аккумулятора.

Итак приведём несколько основных правил, используя которые можно продлить  срок использования li-ion аккумулятора в разы.

Использование оригинальных зарядных устройств

При изготовлении литий ионных аккумуляторов, их производители довольно серьёзно относятся к зарядным устройствам. Никто не даст вам гарантии, что зарядные устройства сомнительного происхождения не погубят Ваши аккумуляторы. Оригинальные же зарядки 100% выдают только необходимое напряжение и правильно заканчивают зарядку каждого элемента питания. Ведь, если в конце процесса зарядки напряжение будет затухать со значительным опозданием, это может привести к перезарядке элемента, что в свою очередь скажется весьма негативно на химической системе литий-ионного аккумулятора и будет потеряна часть емкости.

Хранить аккумуляторы лучше с малым зарядом (30-50%)

Если Вам приходится оставлять li-ion аккумуляторы на продолжительное время бездействовать, то лучше их вынуть из устройства (фонаря, Р/У машинки и т.д.).

Очень вероятно, что полностью заряженный аккумулятор при продолжительном хранении потеряет часть своей ёмкости. Полностью разряженный или при минимальном уровне, хранящийся аккумулятор, может «умереть» навсегда. Т.е. восстановить его так и не удастся после длительной спячки. Исходя из этого и рекомендуется держать 50% заряд у хранящихся, длительное время li-ion аккумуляторов.

Не допускайте перезаряда и полного разряда аккумулятора.

Учитывая химическую особенность литийевых аккумуляторов, весьма не рекомендуют, как  полностью разряжать, так и чрезмерно перезаряжать такие аккумуляторы.

Как известно, у li-ion аккумуляторов, полностью отсутствует «эффект памяти«, исходя из этого рекомендуется разряжать аккумулятор до 10-20% а заряжать до 80-90, дабы не повредить химическую систему элемента.

Эффект памяти, в основном свойствен только Никель-Кадмиевым аккумуляторам.

А означает он некую потерю емкости аккумулятора после неправильного режима зарядки, в частности дозарядки при не полностью разрядившемся аккумуляторе. Проще говоря Ni-Cd нельзя начинать заряжать, до того, как он разрядится до допустимо низкого уровня. Нарушая данное правило, емкосли никель кадмиевого аккумулятора несколько уменьшается.

Литий ионные аккумуляторы, лучше начинать заряжать не дожидаясь их полного разряда. Таким образом можно значительно продлить срок жизни элемента питания.

Вышеуказанное правило относится только к незащищённым аккумуляторам. Литиевые аккумуляторы с защитой не страдают от пере или недозаряда. Встроенная плата защиты, отсекает чрезмерное напряжение (более 3,7 вольт на банку) при зарядке и отключает аккумулятор, если уровень заряда упал до минимального, обычно до 2,4 вольт.

Li-Ion аккумулятор не любит холода и жары.

Оптимальной температурой для литиевых аккумуляторов, является от +10°С до +25°С. Li-ion аккумуляторы чувствительны к большим перепадам температур. При отрицательной температуре, время работы аккумулятора сильно сокращается, хим. система элемента может сильно пострадать и даже разрушиться. Наверняка, вы замечали, как заряд мобильного телефона, на морозе резко начинает стремиться к минимуму, хотя ранее, в тепле, заряд был полным.

Нужно заметить, что литий-ионные аккумуляторы, весьма неприхотливы. При должном уходе, они проживут от 3 до 5 лет исправной службы хозяину. Так же нужно знать что такие аккумуляторы имеют свой срок использования от даты производства, а это значит, что заранее покупать запасные аккумуляторы не всегда хорошая идея. Обычно считается нормальным покупать литий-ионки не позднее 2-х лет после производства.

По поводу ёмкости литий ионных аккумуляторов. Банки самого распространенного формата 18650, могут иметь реальную емкость до 3500 мАч. При цене не менее 3-4 долларов за шт. Аккумуляторы, ёмкостью в 9900 мАч по цене $2 за шт. — это как минимум смешно. В действительности там будет 3000 мАч. если повезет.

Бренд против Нонейма

Стоит сказать несколько слов о производителях литий ионных аккумуляторов.

Практически все аккумуляторы имеют название (Бренд изготовителя), но это может быть «Panasonic» в котором реальная емкость будет меньше на 50 мАч из 3000 мАч или какой ни-будь «ХуньСюньПродакшн», в котором не хватает 1900 мАч из 3000 мАч. И это не смешно, а реальные цифры.

Так вот нормальными (честными) брендами среди аккумуляторов без защиты, считаются:

• Panasonic,
• Sony,
• Sanyo,
• Samsung,
• LG,

Напротив, такие бренды, как:

• UltraFire,
• SingFire,
• Bailong,
• TrastFire

имеют далеко не точную указанную емкость, зато стоят в 2 — 3 раза дешевле.

Среди достойных установщиков защиты на литий-ионки стоит отметить:

• Keeppower;
• Efest;
• Nitecore

Купить литий ионные аккумуляторы, например, формата 18650 можно как в местных интернет магазинах, так и у китайцев на прямую.

И пожалуйста не обольщайтесь на низкую цену и банки аккумуляторов в прозрачной термо-усадке. Из опыта, могу сказать, что в таком варианте используются в основном оригинальные банки но совсем никудышние платы защиты. 

Как правильно заряжать полимерный аккумулятор

Литий полимерный отличается от литий ионного аккумулятора только лишь консистенцией электролита. Более подробнее читайте здесь. В остальном же, литий-полимерный поддается тем же правилам, что и литий-ионный аккумулятор.

Как правильно заряжать литиевый тяговый аккумулятор? Все про Li-ion (литиевые аккумуляторы)

После покупки тягового аккумулятора важно обеспечить его правильную эксплуатацию и ответственно подойти к вопросу зарядки. Это необходимо для продления срока службы накопителя и полноценного использования его возможностей. Тяговые аккумуляторы необходимо всегда содержать в чистом и сухом состоянии, не допуская сторонних утечек тока.

При эксплуатации – крайне нежелательно разряжать его ниже 10%. Не рекомендуется глубокий разряд как новым, так и БУ аккумуляторам. При соблюдении правил эксплуатации и зарядки литиевые тяговые батареи рассчитаны примерно на 2000 полных циклов заряд/разряд. Если же не допускать глубоких разрядов, АКБ может выдать и до 3000 циклов.

Заряжать литиевый тяговый аккумулятор следует при температуре от + 0 °С. При более низких температурах невозможно достичь номинальной емкости накопителя из-за его малой восприимчивости к заряду. В результате, происходит или недостаточный заряд, или с повышением температуры – перезаряд, а оба этих состояния вредны для батареи. Перегрев также опасен – если АКБ нагреется до +50°С, процесс зарядки придется остановить из-за его повышенной опасности. 

Как зарядить литиевый тяговый аккумулятор? 

Рассмотрим алгоритм действий, как правильно заряжать литиевую тяговую батарею, чтобы избежать ошибок и не снизить ее емкость:

1. Заряжать АКБ можно, не снимая ее с транспортного средства. Зарядный порт или коннектор должен быть сухим и чистым.

2. Если зарядка выполняется высокомощным зарядным устройством (2С), то необходимо подобрать соответствующую розетку, способную обеспечить устройство током необходимой силы.

3. Через каждые 5-7 раз зарядки высокомощным зарядным устройством необходимо выполнять заряд литиевого тягового аккумулятора слаботоковым ЗУ (0,2С) для дополнительной балансировку элементов АКБ между собой.

4. Для зарядки следует использовать только зарядные устройства предназначенные для литиевых аккумуляторов с алгоритмом заряда CC/CV.

5. Литиевые аккумуляторы не имеют эффекта памяти и их нет необходимости разряжать в ноль, соответственно подзаряжать их можно в любое удобное время.

6. Зарядка заканчивается при достижении одной из ячеек напряжения 3,6 Вольта.

Информация о том, как правильно заряжать аккумулятор Li-ion, содержится в нашей предыдущей статье.

Как заряжать литий─ионный аккумулятор?

Человека в современной жизни окружает множество электронных помощников. В быту мы используем планшеты, мобильные телефоны, ноутбуки и т. п. На работе используются шуруповёрты, портативные дрели, фонарики, power bank и пуско-зарядные аккумуляторы для автомобиля. Во всех этих устройствах используются разные типы аккумуляторных батарей. Но больше всего распространены литий─ионные аккумуляторы. Они стали популярными благодаря небольшим размерам и массе в сочетании с высокой энергоёмкостью. При разумной стоимости они имеют приличный срок эксплуатации (300─400 циклов заряд-разряд). Поскольку эти АКБ широко используются в разных устройствах, которые нас окружают, надо понимать, как их правильно заряжать. Поэтому сегодняшний материал посвящён зарядке Li─Ion аккумуляторов.

 

Содержание статьи

Что представляет собой литий─ионный аккумулятор?

Поскольку многие пользователи имеют смутное представление о том, что такое литий─ионная аккумуляторная батарея, скажем пару слов о её устройстве. Если смотреть на примере аккумулятора мобильного телефона, то аккумулятор там имеет следующую конструкцию.

Конструкция литий─ионного аккумулятора

АКБ мобильного телефона в абсолютном большинстве случаев имеет в своей конструкции один аккумуляторный элемент, который часто называют банкой. Номинальное напряжение банки обычно составляет 3,7 вольта. В АКБ ноутбуков таких элементов может быть от 2 до 12. Но там они не прямоугольной, а цилиндрической формы (тип 18650). Также в составе аккумулятора есть контроллер, который представляет собой плату с распаянной на ней управляющей микросхемой. Она управляет процессом заряда и разряда банки, не допуская её перезаряда или глубокого разряда.

Таким образом, производители аккумуляторов уже позаботились о том, чтобы избежать внештатных ситуаций при зарядке и разрядке батареи. А пользователю остаётся только соблюдать некоторые правила эксплуатации, о которых будет сказано ниже.
Если вам интересно, то можете прочитать подробный материал про литий-ионный аккумулятор в статье по ссылке.

Вернуться к содержанию
 

Как правильно заряжать литий─ионный аккумулятор?

При зарядке Li─Ion аккумулятора нужно помнить о том, что лучше всего поддерживать заряд батареи на уровне 20─80% от полной ёмкости. Литий─ионные АКБ не любят перезаряд. Как говорилось выше, контроллер контролирует степень заряженности аккумуляторного элемента или элементов, если их несколько. Он не допустит их перезарядки. Но это не значит, что аккумулятор можно сутками держать на зарядке. Это совершенно ни к чему.

Телефон и зарядное устройство

Почему для литий─ионного аккумулятора критичен перезаряд и глубокий разряд? Дело в том, что ток в таких аккумуляторах обеспечивается движением ионов лития от одного электрода к другому. Состав этих электродов может быть разным. В этом случае эти подробности не важны. Важно то, что ионы лития внедряются в кристаллическую решётку вещества электродов. В результате происходят постепенные изменения объёма и состава электродов. Чем больше заряжена или разряжена аккумуляторная батарея, тем больше ионов лития находится в одном из электродов. Такая эксплуатация приводит к тому, что срок службы аккумулятора значительно сокращается. Поэтому лучше не создавать такие пограничные состояния и держать заряд на уровне 20─80% от номинала.

В любом случае контроллер не допускает перезаряда и глубокого разряда банки. Он просто отключает банку от внешнего мира. Кроме того, во многих литий─ионных аккумуляторных батареях имеется встроенная защита от перегрева.

Теперь перечислим несколько вариантов, как заряжать Li─Ion аккумулятор.

• Штатное зарядное устройство. Это самый лучший и рекомендуемый вариант. С помощью штатной зарядки рекомендуется заряжать Li─Ion аккумулятор. Это безопасно и максимально быстро;
• От USB разъёма компьютера. Вариант также безопасный, но довольно длительный. Дело в том, что в случае порта USB ток ограничен значением 0,5 ампера;
• От прикуривателя в автомобиле. Если это стандартный переходник на USB, то процесс также может затянуться. Но сейчас в продаже довольно устройств, имеющий набор портов USB с различной силой тока. Есть даже модели, которые позволяют заряжать аккумуляторы ноутбуков с номинальным напряжением 19 вольт током 4 ампера. Узнать максимально допустимый ток для зарядки аккумуляторной батареи своего устройства можно узнать из документации или посмотреть на штатной зарядке. Для АКБ смартфонов обычно 1, а для планшетов – 2 ампера;
• «Лягушка». Так называют универсальные зарядные устройства. Обычно они используются для зарядки литиевых АКБ для мобильных телефонов. Одна из таких «лягушек» показана на изображении ниже. Конструкция включает в себя док для установки батареи и контакты, регулируемые по ширине для различных моделей. Для информирования об окончании зарядки имеется светодиодная индикация.

Зарядное устройство «лягушка»

Как видите, заряжать литий─ионный аккумулятор можно различными способами. Но рекомендуется заряжать АКБ штатной зарядкой, а остальные методы использовать только в случае необходимости. Сразу после покупки гаджета привыкайте к его корректной зарядке. О том, как правильно заряжать новый аккумулятор смартфона, можно прочитать по указанной ссылке.
Вернуться к содержанию
 

Эксплуатация Li─Ion батарей

Теперь коротко расскажем об основных правилах эксплуатации литий─ионных аккумуляторов.
 

Калибровка

Эту процедуру следует проводить раз в 3 месяца. Она заключается в полной разрядке и последующей полной зарядке АКБ. Это необходимо делать, чтобы контроллер аккумулятора «откалибровал» границы заряда и разряда батареи.

Калибровка литий─ионного аккумулятора

При ручной калибровке вам нужно дождаться выключения телефона, планшета или другого гаджета. Потом в выключенном состоянии ставите устройство на зарядку. Продолжительность до полной зарядки вы можете посмотреть по паспорту. После вынимаете и вставляете аккумуляторную батарею, включаете устройство и смотрите уровень заряда. Если он меньше 100%, то выключаете устройство и снова заряжаете. Так нужно делать до тех пор, пока при включении не будет показан полный уровень заряда.

Для калибровки также можно использовать утилиты, которые существуют для iOS и Андроид.

Если вам интересна переделка шуруповёрта на литиевые аккумуляторы 18650, можете прочитать статью по ссылке.

Вернуться к содержанию
 

Хранение

Перед тем как отправить литий─ионную АКБ на хранение, её также нужно заряжать. Но уровень заряда должен быть около 50 процентов. Это считается оптимальным значением. Температура хранения батареи в идеале должна составлять 15 градусов Цельсия. В таких условиях литиевый аккумулятор лучше всего сохраняет ёмкость. Чем выше температура хранения, тем больше будут потери ёмкости при хранении.

При длительном хранении раз в три месяца проводите полный заряд-разряд аккумулятора и снова заряжайте его до 50%.

Чего не нужно делать с литий─ионными аккумуляторами?

• Первое, чего не переносят Li─Ion батареи, это нагрев. Литий является чрезвычайно активным металлом и при нагреве в аккумуляторе может начаться неуправляемая реакция. В результате батарея просто воспламениться. Поэтому не держите Li─Ion аккумулятор рядом с источниками тепла, под солнечными лучами и у открытого огня;
• Литий─ионные аккумуляторные батареи также чувствительны к отрицательным температурам, но таких плачевных последствий, как при нагреве, нет. Просто на холоде АКБ теряет заряд;
• Не следует разбирать аккумуляторный элемент. Разгерметизация банки аккумулятора может привести к воспламенению;
• Также не следует заряжать банку АКБ в обход контроллера. Исключение можно сделать в тех случаях, когда вам требуется толкнуть аккумулятор. При этом нужно соблюдать все меры предосторожности и постоянно контролировать процесс.

Вернуться к содержанию
 

Опрос

Примите участие в опросе!

 Загрузка …
Теперь вы знаете, как заряжать литий─ионный аккумулятор, и правила его эксплуатации. Если статья была полезной для вас, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения по теме оставляйте в комментариях.
Вернуться к содержанию

Способы заряда Li-ion аккумуляторов и батарей на их основе

В данной статье мы не будем касаться самих электрохимических процессов, протекающих в Li-ion аккумуляторе, а рассмотрим все с точки зрения конечного пользователя. Для потребителя и разработчика электроники любой аккумулятор выглядит как некий двухполюсник, имеющий два контакта, выходящих из корпуса. Такой элемент схемы имеет ряд числовых характеристик, графиков зависимости и т. д., и практически ничем не отличается по количеству приводимых в документации параметров от, например, диода. С этой точки зрения мы и будем рассматривать способы заряда этих устройств.

Литий-ионные аккумуляторы производят как в корпусном (например, типоразмера 18650), так и в ламинированном исполнении (гель-полимерные), электроды и электродные массы которых помещены в герметичный пакет из специальной пленки. Электрохимические процессы протекают одинаково как в тех, так и в других, и все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем аккумуляторам вне зависимости от их исполнения.

Сразу отметим, что классический способ заряда Li-ion аккумулятора делится на два этапа. Первый — это заряд постоянным током, второй — заряд при постоянном напряжении (рис. 1).

Рис. 1. Этапы заряда Li-ion аккумулятора:
I — ток;
U — напряжение;
t — время

На рис. 1 можно увидеть этап 1′. Он необходим, когда напряжение на аккумуляторе ниже некоторого установленного значения (например, 2,5 В). При долгом хранении аккумулятора вследствие саморазряда и/или потребления системы обеспечения функционирования (СОФ) напряжение на аккумуляторе может упасть ниже, к примеру, 2,5 В (СОФ входит в состав аккумуляторной батареи, даже если она состоит из одного аккумулятора). Малый ток заряда обеспечивает постепенный выход активных электродных материалов на заданные уровни напряжения, при которых они штатно функционируют (например, при более 2,8 В), после чего включается основной ток заряда. Данный режим призван обеспечить более долгую жизнь аккумулятора при выходе его из заданного диапазона напряжений. Также этап 1′ применяется при заряде аккумулятора при низких температурах, например ниже +5 °C — для «разогрева» электродных масс.

Первоначальный заряд малым током используется и для обеспечения безопасности аккумулятора при заряде. Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении некоторого времени заряда напряжение на нем не будет возрастать. Этот факт может свидетельствовать о неисправности. Если начать заряд достаточно большим током сразу, то при КЗ может произойти сильный разогрев аккумулятора и его разгерметизация. Хотя СОФ имеет температурный датчик, при быстром заряде и относительно большой теплоемкости аккумулятора и высоком конечном значении теплопроводности разгерметизация может произойти немного раньше, чем СОФ отключит аккумуляторы от заряда. Функция заряда малым током часто возлагается не на зарядное устройство, а на СОФ батареи. В схеме СОФ это может быть дополнительный MOSFET (управляющий зарядом), включенный через последовательный резистор, ограничивающий ток, подключенный к аккумуляторной батарее (АБ). Необходимо отметить, что данный этап часто исключают из цикла заряда батареи, начиная заряд сразу с этапа 1.

На первом этапе заряд осуществляется номинальным током, который измеряется в долях от номинальной емкости аккумулятора (Сн). Например, емкость аккумулятора 10 А·ч, номинальный ток заряда 0,2Сн, то есть 2 А — пятичасовой режим заряда. Понятно, что потребитель хочет, чтобы заряд осуществлялся как можно быстрее — в течение 1–2 ч, что соответствует 0,5–1Сн. Такой режим заряда обычно называют ускоренным. Для нормальной работы аккумулятора номинальный ток заряда лежит в пределах 0,2–0,5Сн, а ускоренный, как уже говорилось, — в диапазоне 0,5–1Сн. Каким максимальным током можно заряжать тот или иной аккумулятор, можно узнать в документации на конкретный тип устройства. График роста напряжения на аккумуляторе, показанный на рис. 1, носит линейный характер (для простоты восприятия).

Чем выше ток заряда (или меньше время, отводимое на полный заряд), тем меньше аккумулятор «наберет» емкости и тем пристальней необходимо следить за разогревом, чтобы его температура не вышла за установленный предел. При большом токе заряда существенно продлевается время 2-го этапа (рис. 1), когда ток постепенно падает до определенного предела. Так, например, при токе заряда 1Сн и отводимом на заряд времени в 1 ч аккумулятор достигнет своего конечного напряжения за 45–50 мин. Любой аккумулятор имеет внутреннее сопротивление (включающее в себя несколько составляющих — омическую, диффузионную и т. д.). Падение напряжения на внутреннем сопротивлении при большом токе заряда приведет к более быстрому достижению конечного зарядного напряжения. При достижении конечного напряжения заряд перейдет ко второму этапу — падающему току при постоянном напряжении. За оставшееся время 10–15 мин. аккумулятор «наберет» еще 0,1–0,15Сн, что в сумме составит не более 0,85–0,95Сн. При более коротком режиме заряда и лимите времени зарядная емкость будет еще меньше. Можно учитывать внутреннее сопротивление аккумулятора и ввести зависимость конечного зарядного напряжения от тока заряда, но это требует проработки для конкретного типа аккумуляторов и более сложных зарядных устройств. Обычно разработчики не используют данные зависимости при проектировании простых устройств.

Ускоренный и номинальный режим заряда необходимо чередовать, особенно при заряде батарей, состоящих из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. При номинальном токе заряда возрастает его продолжительность. Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [1]. Чем больше время такой балансировки, тем лучше будут сбалансированы аккумуляторы по емкости и, в конечном итоге, батарея отдаст емкость, близкую к номинальной при разряде. Обычно системы баланса делаются пассивными, и работают они только при заряде батареи. Заряд номинальным режимом особенно рекомендуется после длительного хранения батареи, когда степень заряженности отдельных аккумуляторов будет сильно зависеть от токов саморазряда, который у разных аккумуляторов разный, даже при специально подобранных аккумуляторах в одной батарее.

Второй этап — заряд при постоянном напряжении и падающем токе. Ток на этом этапе падает до определенного значения. Например, процесс считается завершенным при установлении тока заряда менее 0,1–0,05Сн (в нашем примере <100 мА). Как было показано выше, продолжительность фазы падающего тока зависит от тока заряда. Для номинального режима заряда (0,2Сн) она длится обычно не более нескольких десятков минут, при этом аккумулятор набирает до 0,1–0,15Сн. Время заряда падающим током также зависит от степени деградации аккумулятора в процессе эксплуатации (иначе говоря, от срока службы и количества циклов заряд/разряд). Чем больше деградация, тем длиннее фаза падающего тока.

После окончания заряда напряжение на аккумуляторе падает на 0,05–0,1 В (рис. 1), приходя к своему равновесному состоянию. Держать аккумулятор продолжительное время (десятки часов) при конечном напряжении (например, 4,2–4,3 В) не рекомендуется из-за несколько повышенной в этом состоянии скорости деградации электродных масс. Поэтому после фазы падающего тока желательно прекратить заряд.

Производители электроники предоставляют уже готовые схемотехнические решения, реализующие описанный выше алгоритм заряда, выполненные в одном корпусе микросхемы — например МАХ1551, МАХ745 и т. д. Одна из популярных микросхем, применяемых для заряда Li-ion аккумуляторов (мобильных телефонов, фототехники и т. д.) от сети постоянного тока 12–24 В, — MC34063 (рис. 2). На рис. 2 выходное напряжение MC34063 — 5 В, но его можно пересчитать на конечное зарядное напряжение аккумулятора 4,1–4,3 В, варьируя резисторами R1, R2. Дополнительный выходной фильтр для уменьшения пульсаций можно исключить.

Рис. 2. Структурная схема МС34063, реализующая алгоритм заряда Li-ion аккумулятора

Часто возникает желание осуществлять заряд устройством, на выходе которого есть только постоянный ток (без фазы постоянного напряжения в конце заряда). Это позволяют сделать, к примеру, зарядные устройства от никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Рассмотрим этот способ.

Необходимо отметить, что литий-ионная аккумуляторная батарея подключается через СОФ к зарядному устройству (ЗУ), имеющему внутренние ключи (для батарей небольшой емкости до 40–60 А·ч это обычно MOSFET). Поэтому прежде, чем подключать ЗУ к АБ, необходимо убедиться, что выходное напряжение ЗУ (напряжение разомкнутой выходной цепи) не слишком высокое, чтобы не вывести из строя коммутаторы заряда АБ. Сам алгоритм заряда можно осуществить с помощью постоянного тока (этап 1) и фазы импульсов (этап 2), показанной на рис. 3. Фаза импульсов заменяет фазу падающего тока (также этап 2), показанную на рис. 1.

Рис. 3. Заряд постоянным током с прерывистой фазой зарядного тока:
I — ток;
U — напряжение;
t — время

Критерием остановки заряда могут служить напряжение на аккумуляторе или время импульса тока (T_имп), за которое напряжение на аккумуляторе достигает конечного зарядного напряжения (например, 4,2 В). При каждом импульсе напряжение на аккумуляторе будет повышаться, как показано на рис. 3. Как только оно достигнет уровня полностью заряженного аккумулятора с фазой падающего тока (рис. 1, примерно 4,1–4,15 В), заряд можно прекращать. Измерение напряжения на аккумуляторе необходимо производить через некоторое время после завершения зарядного импульса. Этот критерий окончания заряда при фазе импульсного тока Li-ion аккумулятора в большей степени справедлив для аккумуляторов на основе кобальтата лития (так называемые кобальтатные аккумуляторы). Об отличительных особенностях этих типов аккумуляторов мы поговорим далее.

Если ориентироваться на T_имп, то как только длительность импульса, в течение которого напряжение на аккумуляторе достигнет своего конечного значения, будет достаточно маленькой, заряд можно прекращать. Длительность можно считать маленькой, если аккумулятор за это время наберет менее 0,2–1% от своей емкости Сн. Например, при емкости аккумулятора 10 А·ч — 0,5% от Сн составит 0,05 А·ч. При токе заряда 5 А расчетная длительность зарядного импульса составит порядка 30 с.

Реализацию данного алгоритма заряда можно возложить на СОФ АБ, если она спроектирована таким образом, что можно изменять алгоритм ее функционирования [2]. Тогда микроконтроллер СОФ может отслеживать напряжение на аккумуляторе или производить вычисления времени импульса и останавливать заряд, размыкая окончательно зарядный ключ.

Еще один способ — заряд ступенчатым током (рис. 4).

Рис. 4. Заряд ступенчатым током:
I — ток;
U — напряжение;
t — время

Для упрощения ЗУ обычно заряд осуществляют в два этапа: номинальный ток (этап 1) и ток вдвое меньше номинального. То есть существует всего две ступени заряда. На рис. 4 для наглядности показано три ступени. И действительно, если есть возможность уменьшать ток ЗУ дискретно не в два раза, а на меньшую величину, то заряд будет осуществляться почти так же, как показано на рис. 1, а на этапе 2 напряжение на аккумуляторе будет колебаться около конечного напряжения заряда.

Помимо аккумуляторов с катодом из кобальтата лития, в мире все большую популярность набирают железо-фосфатные аккумуляторы (литированный фосфат железа). Железо-фосфатные аккумуляторы хоть и имеют меньшие удельные характеристики (Вт·ч/кг, Вт·ч/дм³), но из-за меньшей стоимости (при той же емкости) становятся все более и более популярными. На рис. 5 представлены зарядные кривые двух типов аккумуляторов.

Рис. 5. Графики заряда при различных температурах аккумуляторов с материалом положительного электрода:
а) кобальтат лития;
б) литированный фосфат железа

Заряд производился током 0,5Сн. Из графиков видно, что аккумуляторы с положительным электродом на основе кобальтата лития имеют почти линейную характеристику роста напряжения от степени заряженности. Характеристика аккумуляторов с положительным электродом на основе литированного фосфата железа почти горизонтальна и только в конце заряда резко возрастает, а также существенно зависит от температуры. Конечное напряжение заряда у железо-фосфатных аккумуляторов обычно ниже и составляет 3,7–3,9 В. После заряда (фазы падающего тока) напряжение даже у заряженного на 100% такого аккумулятора при нормальных условиях упадет до 3,35–3,45 В. Поэтому не будет наблюдаться такого роста напряжения, как показано на рис. 3, оно будет снижаться после каждого импульса заряда до указанного уровня (3,35–3,45 В). Критерием оценки заряженности аккумулятора в этом случае будет только T_имп, если заряд ведется прерывистой фазой тока (рис. 3).

Существуют Li-ion аккумуляторы с положительным электродом на основе никель-кобальт-алюминия и никель-кобальт-марганца. Зарядные зависимости у них ближе к зависимостям кобальтатных (рис. 5а). В любом случае при выборе и эксплуатации конкретного устройства необходимо внимательно ознакомиться с рекомендациями и документацией производителя. Заряд таких аккумуляторов также производится в два этапа.

Фаза постоянного напряжения (падающий ток) на рис. 5 отражена на представленных зависимостях в виде горизонтальной площадки в конце заряда. По величине этой площадки можно судить о емкости, набранной аккумулятором на этом этапе. Приведем экспериментальные данные заряда аккумулятора, иллюстрирующие способы, рассмотренные выше (рис. 6).

Рис. 6. Изменение напряжения литий-железо-фосфатного аккумулятора емкостью 240 А·ч в процессе заряда токами от 0,5 до 3Сн

На рис. 6 представлены зарядные кривые аккумулятора емкостью 240 А·ч с положительным электродом на основе литированного фосфата железа. Зарядные зависимости нормированы относительно емкости аккумулятора, а не времени. Заряд осуществлялся токами 120 А (0,5Сн), 240 А (1Сн), 480 А (2Сн) и 720 А (3Сн) до напряжения 3,7 В (при токах 0,5, 1 и 2Сн) и до 3,8 В (при токе 3Сн), при нормальных климатических условиях и температуре +20 °C. На графике видно, что при токе заряда 0,5Сн фаза падающего тока (при постоянном напряжении) составляет 12–15 А·ч (плоская площадка в конце графика). При токе 1Сн это уже 35–40 А·ч. При токе заряда 2Сн емкость составила всего около 190 А·ч при достигнутом напряжении 3,7 В, затем ток уменьшили в два раза (провал по напряжению), после чего аккумулятор еще зарядился на 35–40 А·ч. При токе заряда 3Сн напряжение отключения было повышено до 3,8 В, емкость составила всего около 180 А·ч, фаза падающего тока при постоянном напряжении отсутствует. На графике видно также, что при токе заряда 3Сн произошел некоторый провал по напряжению в середине кривой заряда. Это связано с повышением температуры аккумулятора и, как следствие, понижением внутреннего сопротивления (при повышении температуры возрастает скорость электрохимических реакций).

 

Выводы

Существует несколько способов заряда Li-ion аккумуляторов, но все они отражают сущность двухэтапного процесса: заряд постоянным и падающим током при постоянном напряжении. При заряде аккумуляторов или батарей током 0,5–1 Сн и более фаза падающего тока обязательна для увеличения принятой аккумулятором зарядной емкости. При заряде током 0,1–0,3 Сн фазой падающего тока можно пренебречь, так как за 3,5–10 ч заряда аккумулятор и так зарядится почти на всю емкость.

Как заряжать литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4)

Если вы недавно приобрели или исследуете литий-железо-фосфатные батареи (в этом блоге они называются литиевыми или LiFePO4), вы знаете, что они обеспечивают большее количество циклов, равномерное распределение мощности и весят меньше, чем сопоставимые герметичные свинцово-кислотные батареи (SLA ) аккумулятор. Знаете ли вы, что они также могут заряжаться в четыре раза быстрее, чем SLA? Но как именно заряжать литиевую батарею?

Power Sonic рекомендует выбирать зарядное устройство, разработанное с учетом химического состава вашей батареи.Это означает, что при зарядке литиевых батарей мы рекомендуем использовать литиевые зарядные устройства, такие как LiFe Charger Series от Power Sonic.

МОЖЕТ ЛИ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ЗАРЯДАТЬ ЛИТИЕВУЮ БАТАРЕЮ?

Как вы узнаете из этого блога, профили зарядки SLA и лития имеют много общего. Однако следует проявлять особую осторожность при использовании зарядных устройств SLA для зарядки литиевых батарей, поскольку они могут повредить литиевую батарею при недостаточной зарядке или снизить ее емкость с течением времени.Есть много различий при сравнении литиевых батарей и батарей SLA.

ПРОФИЛЬ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА С УПЛОТНЕНИЕМ

Давайте вернемся к основам зарядки герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов. Наиболее распространенный метод зарядки представляет собой трехэтапный подход: начальный заряд (постоянный ток), дополнительный заряд насыщения (постоянное напряжение) и плавающий заряд.

В Stage 1 , как показано выше, ток ограничен, чтобы избежать повреждения батареи.Скорость изменения напряжения непрерывно изменяется во время Стадии 1, в конечном итоге начиная с выхода на плато, когда приближается к пределу полного напряжения заряда. Перед переходом к следующему этапу решающее значение имеет постоянный ток / этап 1 заряда. Зарядка на этапе 1 обычно выполняется при токе 10–30% (0,1–0,3 ° C) от номинальной емкости аккумулятора или меньше.

Этап 2 , постоянное напряжение, начинается, когда напряжение достигает предела напряжения (14,7 В для быстрой зарядки батарей SLA).На этом этапе потребляемый ток постепенно уменьшается по мере продолжения максимального заряда батареи. Этот этап завершается, когда ток падает ниже 5% от номинальной емкости батареи. Последний этап, плавающий заряд, необходим для предотвращения саморазряда и потери емкости аккумулятора.

Если аккумулятор используется в режиме ожидания, подзарядка необходима для обеспечения полной емкости аккумулятора, когда требуется разрядка аккумулятора. В приложении, где батарея находится на хранении, плавающая зарядка поддерживает батарею SLA на уровне 100% заряда (SOC), что необходимо для предотвращения сульфатирования батареи, что, таким образом, предотвращает повреждение пластин батареи.

ПРОФИЛЬ ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА LIFEPO4

В аккумуляторе LiFePO4 используются те же ступени постоянного тока и постоянного напряжения, что и в аккумуляторе SLA. Несмотря на то, что эти две ступени похожи и выполняют одну и ту же функцию, преимущество батареи LiFePO4 заключается в том, что скорость заряда может быть намного выше, что значительно сокращает время зарядки.

Этап 1 Зарядка аккумулятора обычно выполняется при токе 30% -100% (от 0,3 ° C до 1,0 ° C) от номинальной емкости аккумулятора.Для завершения этапа 1 приведенной выше таблицы SLA требуется четыре часа. На этап 1 литиевой батареи может потребоваться всего один час, что делает литиевую батарею доступной для использования в четыре раза быстрее, чем SLA.

Этап 2 необходим в обоих химикатах, чтобы довести аккумулятор до 100% SOC. Батареи SLA требуется 7 часов для завершения этапа 2, в то время как литиевая батарея может занять всего 15 минут. В целом литиевая батарея заряжается за четыре часа, а батарея SLA обычно занимает 10 часов.В циклических приложениях время зарядки очень критично. Литиевую батарею можно заряжать и разряжать несколько раз в день, тогда как свинцово-кислотную батарею можно полностью перезаряжать только один раз в день.

Где они становятся разными по профилям зарядки — это Stage 3 . Литиевая батарея не требует плавающего заряда, как свинцово-кислотная. При долгосрочном хранении литиевые батареи не должны храниться при 100% SOC, и поэтому их можно поддерживать в полном цикле (заряжать и разряжать) один раз каждые 6-12 месяцев до 30% -70% SOC.

В резервных приложениях, поскольку скорость саморазряда лития настолько мала, литиевая батарея обеспечивает почти полную емкость, даже если она не заряжалась в течение 6–12 месяцев. Для более длительных периодов времени рекомендуется система зарядки, обеспечивающая подзарядку в зависимости от напряжения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАРЯДКИ ЛИТИЕВОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Настройки напряжения и тока при зарядке

Номинальное напряжение полной зарядки 12-вольтовой SLA-батареи составляет около 13.1, а полное напряжение заряда литиевой батареи 12,8 В составляет около 13,4. Аккумулятор будет поврежден только в том случае, если приложенное напряжение зарядки значительно выше, чем напряжение полной зарядки аккумулятора.

Это означает, что уровень заряда батареи SLA должен быть ниже 14,7 В для стадии 2 зарядки и ниже 15,2 В для литиевой. Плавающая зарядка требуется только для батареи SLA, рекомендуется около 13,8 В. Исходя из этого, диапазона напряжения заряда от 13,8 В до 14,7 В достаточно для зарядки любой батареи без повреждения.При выборе зарядного устройства для любого химического соединения важно выбрать такое, которое будет находиться в пределах, указанных выше.

Зарядные устройства

выбираются в соответствии с емкостью заряжаемой батареи, поскольку ток, используемый во время зарядки, зависит от номинальной емкости батареи. Литиевую батарею можно заряжать со скоростью 1С, в то время как свинцово-кислотную батарею следует хранить при температуре ниже 0,3С. Это означает, что литиевый аккумулятор на 10 Ач обычно можно заряжать при токе 10 А, а свинцово-кислотный аккумулятор на 10 Ач можно заряжать при токе 3 А.

Ток отключения заряда составляет 5% от емкости, поэтому ток отключения для обеих батарей будет 0,5 А. Обычно значение тока на клеммах определяется зарядным устройством.

Универсальные зарядные устройства

обычно имеют функцию выбора химического состава. Эта функция выбирает оптимальный диапазон напряжения зарядки и определяет, когда аккумулятор полностью заряжен. Если заряжается литиевая батарея, зарядное устройство должно отключиться автоматически. Если он заряжает аккумулятор SLA, он должен переключиться на плавающий заряд.

Литиевые батареи заменяют герметичные свинцово-кислотные в поплавковых системах

Литиевые батареи очень часто помещают в приложения, в которых батареи SLA обычно поддерживаются на плавающем заряде, например, в системе ИБП. Были некоторые опасения, безопасно ли это для литиевых батарей. Обычно допустимо использовать стандартное зарядное устройство SLA с постоянным напряжением с нашими литиевыми батареями, если оно соответствует определенным стандартам.

При использовании зарядного устройства SLA с постоянным напряжением, Зарядное устройство должно соответствовать следующим условиям:
— Зарядное устройство не должно содержать настройки десульфатирования.
— Напряжение быстрой зарядки 14.7 В
— Рекомендуемое напряжение плавающего заряда 13,8 В

В качестве примечания, некоторые интеллектуальные или многоступенчатые зарядные устройства SLA имеют функцию, которая определяет напряжение холостого хода (OCV). Чрезмерно разряженная литиевая батарея, находящаяся в режиме защиты, будет иметь OCV равное 0. Этот тип зарядного устройства предполагает, что эта батарея разряжена, и не будет пытаться ее зарядить. Зарядное устройство с литиевой настройкой попытается восстановить или «разбудить» переразряженную литиевую батарею.

Долгосрочное хранение

Если вам нужно хранить батареи в хранения в течение длительного периода, есть несколько вещей, которые следует учитывать в качестве Требования к хранению различны для SLA и литиевых батарей.Есть два Основные причины, по которым хранение SLA по сравнению с литиевой батареей отличается.

Первая причина в том, что химия аккумулятор определяет оптимальный SOC для хранения. Для батареи SLA вы хотите хранить его как можно ближе к 100%, чтобы избежать сульфирования, которое вызывает скопление кристаллов сульфата на пластинах. Наращивание кристаллов сульфата уменьшит емкость аккумулятора.

Для литиевой батареи структура положительного вывода становится нестабильной при истощении электронов в течение длительного периода времени.Нестабильность положительного вывода может привести к необратимой потере емкости. По этой причине литиевый аккумулятор следует хранить около 50% SOC, который равномерно распределяет электроны на положительных и отрицательных выводах.

Второе влияние на хранение — это скорость саморазряда. Высокая скорость саморазряда батареи SLA означает, что вы должны поставить ее на плавающий заряд или постоянный заряд, чтобы поддерживать его как можно ближе к 100% SOC, чтобы избежать необратимой потери емкости. Для литиевой батареи, которая имеет гораздо более низкую скорость разряда и не требует 100% SOC, вы можете обойтись с минимальной поддерживающей зарядкой.

Рекомендуемые зарядные устройства

Всегда важно соответствовать вашему зарядное устройство для обеспечения правильного тока и напряжения для аккумулятора, который вы используете зарядка. Например, нельзя использовать зарядное устройство на 24 В для зарядки аккумулятора на 12 В. Также рекомендуется использовать зарядное устройство, подходящее для вашей батареи. химии, за исключением примечаний сверху о том, как использовать зарядное устройство SLA с литиевая батарея.

Если у вас есть вопросы о существующем совместимость зарядного устройства с одним из наших продуктов, позвоните нам или отправьте нам электронное письмо.Мы будем рады помочь вам с зарядкой.

Зарядка литиевых (LiFePO4) батарей | RELiON

Все, что вам нужно знать о зарядке литий-железо-фосфатных батарей (LiFePO4)

Замена может быть сложной даже при переходе со свинцово-кислотной батареи на литиево-железо-фосфатную. Правильная зарядка аккумулятора имеет решающее значение и напрямую влияет на производительность и срок службы аккумулятора. Узнайте, как зарядить аккумулятор RELiON LiFePO4, чтобы получить максимальную прибыль.

Условия зарядки

Как и ваш мобильный телефон, вы можете заряжать литий-железо-фосфатные батареи в любое время. Если вы дадите им полностью разрядиться, вы не сможете использовать их, пока они не зарядятся. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, литий-железо-фосфатные аккумуляторы не повреждаются, если оставить их в частично заряженном состоянии, поэтому вам не нужно беспокоиться о том, чтобы зарядить их сразу после использования. У них также нет эффекта памяти, поэтому вам не нужно полностью их разряжать перед зарядкой.

Аккумуляторы

RELiON LiFePO4 могут безопасно заряжаться при температуре от -4 ° F до 131 ° F (0 ° C — 55 ° C), однако мы рекомендуем заряжать при температуре выше 32 ° F (0 ° C). Если вы все-таки заряжаете при температурах ниже нуля, вы должны убедиться, что ток заряда составляет 5-10% от емкости аккумулятора.

Как зарядить аккумулятор LiFePO4

Идеальный способ зарядить LiFePO4 аккумулятор — использовать зарядное устройство для литий-железо-фосфатного аккумулятора, так как оно будет запрограммировано с соответствующими пределами напряжения.Большинство зарядных устройств для свинцово-кислотных аккумуляторов отлично справятся с этой задачей. Профили заряда AGM и GEL обычно находятся в пределах напряжения литий-железо-фосфатной батареи. Зарядные устройства для влажных свинцово-кислотных аккумуляторов, как правило, имеют более высокий предел напряжения, что может привести к переходу системы управления батареями (BMS) в режим защиты. Это не повредит батарею; однако это может привести к появлению кодов неисправностей на дисплее зарядного устройства.

Параллельная зарядка аккумуляторов Best Practices

При параллельном подключении литиевых батарей лучше заряжать каждую батарею по отдельности, прежде чем выполнять параллельное соединение (я).Если у вас есть вольтметр, проверьте напряжение через пару часов после завершения зарядки и убедитесь, что они находятся в пределах 50 мВ (0,05 В) друг от друга, прежде чем подключать их параллельно. Это минимизирует вероятность дисбаланса между батареями и максимизирует производительность системы. Если со временем вы заметите, что емкость вашей аккумуляторной батареи уменьшилась, отключите параллельные соединения и зарядите каждую батарею по отдельности, а затем снова подключите.

Последовательная зарядка аккумуляторов Передовой опыт

Последовательное соединение литиевых батарей во многом похоже на их параллельное соединение, лучше всего заряжать каждую батарею по отдельности, проверять напряжение и убедиться, что оно находится в пределах 50 мВ (0.05V) друг от друга перед последовательным подключением.

Настоятельно рекомендуется заряжать литиевые батареи последовательно с помощью универсального зарядного устройства. Это означает, что каждая батарея заряжается одновременно, но полностью независимо друг от друга. В некоторых приложениях это непрактично, поэтому RELiON предлагает батареи на 24 В и 48 В, чтобы снизить потребность в нескольких батареях, подключенных последовательно.

Как насчет хранения?

Литий-железо-фосфатные батареи намного проще хранить, чем свинцово-кислотные.Для кратковременного хранения от 3 до 6 месяцев ничего делать не нужно. В идеале перед хранением оставьте их заряженными примерно на 50%. Для длительного хранения лучше всего хранить их с 50% -ным уровнем заряда, а затем циклически разряжать их, заряжать и затем частично разряжать примерно до 50% каждые 6-12 месяцев.

Ключевые различия между литий-железо-фосфатными и свинцово-кислотными аккумуляторами, когда дело доходит до зарядки

Литиевые батареи

могут заряжаться при гораздо более высоком токе, и они заряжаются более эффективно, чем свинцово-кислотные, что означает, что их можно заряжать быстрее.Литиевые батареи не нужно заряжать, если они частично разряжены. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, которые при частичном заряде сульфатируются, что резко снижает производительность и срок службы.

Литиевые батареи

RELiON поставляются с внутренней системой управления батареями (BMS), которая защищает батарею от перезарядки, тогда как свинцово-кислотные батареи могут быть перезаряжены, что увеличивает скорость коррозии сети и сокращает срок службы батареи.

Для получения более подробной информации о зарядке литиевых батарей RELiON, ознакомьтесь с нашими инструкциями по зарядке и свяжитесь с нами , если у вас есть какие-либо вопросы.

---

Об авторе:

Кристина Федорова — вице-президент по управлению продуктами и стратегии в RELiON Battery. Обладая более чем 23-летним опытом работы с аккумуляторами глубокого цикла, в том числе свинцово-кислотными и AGM, а также литиевыми аккумуляторами, Кристина является инженером с опытом тестирования аккумуляторов, разработки продуктов и управления ими, а также технической поддержки. Следите за Кристиной в LinkedIn здесь.

Литий-ионная батарея Зарядка »Литий-ионная зарядка» Электроника

Для правильной работы литий-ионных, литий-ионных аккумуляторов они должны быть правильно заряжены, иначе они не будут работать правильно.

---

Литий-ионная батарея Включает:
Литий-ионная технология Типы литий-ионных аккумуляторов Литий-полимерный аккумулятор Литий-ионная зарядка Литий-ионные преимущества и недостатки

Аккумуляторная технология включает: Обзор аккумуляторной технологии Определения и термины батареи NiCad NiMH Литий-ионный Свинцово-кислотные

---

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы обеспечивают отличный уровень производительности.Чтобы извлечь из них максимум пользы, их необходимо правильно заряжать.

Если зарядка ионно-литиевых аккумуляторов не выполняется надлежащим образом, их работа может быть нарушена, и они могут даже выйти из строя, поэтому следует соблюдать осторожность.

Правильная зарядка литий-ионных аккумуляторов обеспечивает максимальную производительность и длительный срок службы. В результате зарядка литий-ионного аккумулятора обычно осуществляется в сочетании с системой управления аккумулятором. Это контролирует уровень заряда, разряда и скорость, с которой это может произойти.

Заряжается литий-ионный аккумулятор электроинструмента

Литий-ионный заряд / разряд

Проще говоря, зарядку и разрядку ионно-литиевой батареи относительно легко объяснить.

Когда ионно-литиевый элемент или батарея разряжается, они подают ток во внешнюю цепь. Внутри анода в процессе окисления высвобождаются ионы лития, которые переходят на катод. Электроны от созданных ионов текут в противоположном направлении, попадая в электрическую или электронную схему, на которую подается питание.Затем ионы и электроны реформируются на катоде.

Этот процесс высвобождает химическую энергию, которая хранится в клетке в виде электрической энергии.

Во время цикла зарядки реакции происходят в обратном направлении, когда ионы лития проходят от катода через электролит к аноду. Электроны, обеспечиваемые внешней схемой, затем объединяются с ионами лития, чтобы обеспечить накопленную электрическую энергию.

Следует помнить, что процесс зарядки не является полностью эффективным — некоторая энергия теряется в виде тепла, хотя обычно уровень эффективности составляет около 95% или немного меньше.

Электронные условия зарядки литий-ионного аккумулятора

С точки зрения электроники процесса зарядка литий-ионных аккумуляторов сильно отличается от зарядки никель-кадмиевых или никель-металлгидридных аккумуляторов. Невозможно использовать одни и те же электронные схемы для их зарядки по разным причинам.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов зависит от напряжения, а не от тока. Таким образом, зарядка литий-ионных аккумуляторов больше похожа на зарядку свинцово-кислотных аккумуляторов.

Одно из отличий от зарядки литий-ионных аккумуляторов состоит в том, что они имеют более высокое напряжение на элемент — от 3,7 до 4 В на элемент по сравнению с 1,2 В. l

Литий-ионные элементы

также требуют гораздо более жестких допусков по напряжению при обнаружении полного заряда, и после полной зарядки они не позволяют или не требуют подзарядки тонким или плавающим током. Особенно важно иметь возможность точно определять состояние полного заряда, поскольку литий-ионные батареи не переносят перезарядки.Они перегреваются, и это сокращает их жизнь, но в экстремальных обстоятельствах это может привести к возгоранию или даже взрыву.

Типичная кривая разрядки потребительского литий-ионного элемента

Большинство ориентированных на потребителя литий-ионных аккумуляторов заряжаются до напряжения 4,2 В на элемент, и это имеет допуск около ± 50 мВ на элемент. Зарядка сверх этого значения вызывает нагрузку на элемент и приводит к окислению, которое сокращает срок службы и емкость. Это также может вызвать проблемы с безопасностью.

Показанная выше кривая разряда типична для литий-ионного элемента в форме оксида лития-кобальта.Различные типы ионно-литиевых элементов имеют немного разные напряжения, но все они будут иметь одинаковую форму кривых разряда.

Зарядку литий-ионных аккумуляторов можно разделить на два основных этапа:

• Заряд постоянным током: На первом этапе зарядки литий-ионного аккумулятора или элемента контролируется зарядный ток. Обычно это значение составляет от 0,5 до 1,0 C. (Примечание: для аккумулятора емкостью 2000 мАч скорость заряда будет составлять 2000 мА при скорости заряда C).

  Для потребительских элементов LCO и батарей рекомендуется максимальная скорость заряда 0,8 ° C.

  На этом этапе напряжение на литиево-ионном элементе увеличивается при постоянном токе заряда. Время зарядки для этого этапа может составлять около часа.

• Заряд насыщения: Через некоторое время пик напряжения составляет около 4,2 В для элемента LCO. В этот момент элемент или батарея должны перейти на вторую стадию зарядки, известную как заряд насыщения.Поддерживается постоянное напряжение 4,2 вольта, и ток будет постоянно падать.

  Конец цикла зарядки достигается, когда ток падает примерно до 10% от номинального. Время зарядки для этого этапа может составлять около двух часов в зависимости от типа аккумулятора, производителя и т. Д.

Эффективность заряда, то есть количество заряда, удерживаемого батареей или элементом, по сравнению с количеством заряда, поступающего в элемент, является высоким. Эффективность зарядки может составлять от 95 до 99%.Это отражается на относительно низких уровнях повышения температуры ячеек.

Многие элементы теперь предназначены для быстрой зарядки, хотя в пределах номинальных значений для элемента этот процесс может сократить срок службы батареи, и необходимо найти баланс между удобством и сроком службы.

Меры предосторожности при зарядке литий-ионного аккумулятора

Принимая во внимание количество энергии, хранящейся в ионно-литиевых батареях, их химический состав и т. Д., Необходимо обеспечить, чтобы батареи были заряжены надлежащим образом и с помощью соответствующих зарядных устройств и оборудования.

Зарядные устройства или аккумуляторные батареи

для литий-ионных аккумуляторов включают в себя различные механизмы для предотвращения повреждений и опасности. Часто эти механизмы предусмотрены в аккумуляторном блоке, который затем можно использовать с простым зарядным устройством.

Механизм, необходимый литиево-ионной батарее для зарядки и разрядки, включает:

• Зарядный ток: Зарядный ток должен ограничиваться для литий-ионных аккумуляторов. Обычно максимальное значение составляет 0,8 ° C, но для обеспечения некоторого запаса чаще устанавливаются более низкие значения.Некоторые батареи могут заряжаться быстрее.

  Даже для батарей или элементов, которые могут выдерживать более высокие токи заряда, это влияет на срок службы. Если можно снизить скорость зарядки и не использовать быструю зарядку, это увеличит срок службы элемента.

• Температура заряда: Следует контролировать температуру заряда литий-ионного аккумулятора. Элемент или аккумулятор нельзя заряжать при температуре ниже 0 ° C или выше 45 ° C.

  Литий-ионные элементы и батареи

  лучше всего работают при комнатной температуре, поэтому зарядка в указанных пределах обеспечивает наилучшую зарядку, а также продлевает срок службы батареи.

• Ток разряда: Защита по току разряда необходима для предотвращения повреждения или взрыва в результате короткого замыкания. Для конкретного аккумуляторного блока будет установлен предел, и его не следует превышать. Принимая во внимание огромное количество запасенной энергии, превышение пределов может привести к пожару или даже впечатляющему взрыву.

  Обычно аккумуляторные блоки имеют схему управления зарядкой / разрядкой, чтобы гарантировать, что допустимый ток не будет превышен, но всегда лучше не перенапрягать их.

  Различные типы литий-ионных аккумуляторов могут обеспечивать разные возможности — в результате фактический тип литий-ионных аккумуляторов, который нужно выбрать, будет зависеть от области применения и требуемой способности по току / разрядке.

• Перенапряжение: Защита от перенапряжения заряда необходима для предотвращения подачи слишком высокого напряжения на клеммы аккумулятора.Если позволить зарядному напряжению слишком высоко подняться, это может привести к повреждению.

• Защита от перезарядки: Схема защиты от перезарядки необходима для остановки процесса зарядки литий-ионных аккумуляторов, когда напряжение на элемент превышает 4,30 вольт. Чрезвычайно важно не перезаряжать литиевый аккумулятор. Система управления аккумулятором должна обеспечивать защиту от перезарядки.
• Защита от обратной полярности: Защита от обратной полярности литий-ионного аккумулятора необходима, чтобы гарантировать, что аккумулятор не заряжается в неправильном направлении, так как это может привести к серьезным повреждениям или даже взрыву.
• Чрезмерный разряд Li-Ion: Защита от чрезмерного разряда необходима для предотвращения падения напряжения аккумулятора ниже примерно 2,3 В в зависимости от производителя.
• Перегрев: Защита от перегрева часто включается, чтобы предотвратить работу батареи, если температура поднимется слишком высоко. Температура выше 100 ° C может нанести непоправимый ущерб.

При использовании литий-ионного аккумулятора обязательно использовать зарядное устройство производителя, поскольку в зарядном устройстве и аккумуляторном блоке могут использоваться различные элементы защиты в зависимости от конструкции.

Литий-ионный заряд, циклы разрядки

Срок службы литий-ионных элементов и батарей часто выражается числом циклов заряда-разряда, которые они выдерживают до того, как их способность удержания заряда упадет.

Хотя литий-ионные элементы имеют так называемый календарный срок службы — их срок службы с точки зрения истекшего времени, даже если они не используются, другим важным фактором является количество циклов заряда-разряда, которые они могут выдержать. Обычно именно это, а не календарный срок службы означает конец полезного срока службы литий-ионного элемента.

По другим характеристикам литий-ионный аккумулятор лучше конкурентов. Было показано, что он способен выдерживать около 1000 циклов зарядки / разрядки при очень осторожном использовании и при этом сохранять 80% своей начальной емкости.

Ni-Cads обеспечивают до 500 циклов, хотя это очень зависит от способа их использования. Плохо обработанная клетка может дать только 50 или 100. NiMH клетки еще хуже, и это одна из основных областей развития. Они могут дать только 500 циклов в лучшем случае, прежде чем их емкость упадет до 80% от начального рейтинга заряда.

Также обнаружено, что литий-ионные элементы и батареи не страдают от эффекта памяти, который был очевиден для никель-кадмиевых аккумуляторов. Эффект памяти становился очевидным, если клетки разряжались лишь частично каждый раз при их использовании. Со временем они «вспомнили» уровень разряда, и их емкость соответственно уменьшилась. В результате было хорошо периодически выполнять полную разрядку ячеек. Это не так для литий-ионных элементов.

Зарядка и разрядка ионно-литиевых батарей является ключом к их работе и долгой работе.Обычно в аккумуляторные блоки встроены микросхемы управления батареями. Это управляет зарядкой и разрядкой литий-ионного аккумулятора. Таким образом, пользователь может подключить аккумулятор к зарядному устройству и оставить его заряжаться, зная, что его не нужно отключать через определенное время. Микросхема управления батареей также гарантирует, что батарея не разряжается слишком далеко. Проблема заключается в том, чтобы убедиться, что руководство батареи понимает точное состояние заряда батареи.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Могу ли я зарядить литиевый аккумулятор свинцово-кислотным зарядным устройством?

Для литиевых батарей требуется тип заряда с постоянным током / постоянным напряжением (CC / CV) с простыми стадиями накопления, абсорбции и плавающего заряда.

Многие свинцово-кислотные зарядные устройства имеют встроенные ступени десульфатации и выравнивания, которые подают в аккумулятор высокие напряжения 15,3–15,8 В. Это действительно важно для правильной зарядки и обслуживания свинцово-кислотных аккумуляторов, чтобы избежать расслоения электролита и обеспечить надлежащее выравнивание напряжения на элементах, но это определенно не подходит для аккумуляторов LiFePO4.Это может значительно сократить срок службы элементов из-за регулярной зарядки от перенапряжения или вызвать необратимое повреждение аккумулятора.

Многие свинцово-кислотные зарядные устройства имеют автоматическое выравнивание, которое нельзя отключить. Когда срабатывают эти этапы, они заставят почти все качественные LiFePO4 батареи на рынке с внутренней BMS перейти в режим защиты от отключения высокого напряжения при напряжении около 15,0 В — батарея отключается, а зарядное устройство и все нагрузки отключаются перед запуском. сначала после сброса (если он сбрасывается автоматически — не все BMS будут делать это автоматически).Для тех, кто этого не делает, батарея разомкнута и отключается, пока вы не поймете и не предпримете меры по ее сбросу. Для тех, кто это делает, вы получаете сценарий включения / выключения / включения / выключения в течение многих часов, что приводит к плохой производительности зарядки и иногда никогда не выходит из этих этапов в течение многих часов.

Независимо от того, что они говорят в своем маркетинге (что на самом деле все это — выдуманный маркетинговый ход) о своих якобы волшебных батареях, которые можно использовать с любым зарядным устройством, это совершенно неверно и демонстрирует полное непонимание Химия LiFePO4, узкий диапазон напряжений, в котором он работает, и эффекты использования многоступенчатого свинцово-кислотного зарядного устройства для зарядки ячеек LiFePO4.

Это гораздо больше, чем просто набросок выше, но он попадает в очень техническое обсуждение, которое приведено ниже, если вам нужна дополнительная информация.

Во-первых, важно понимать диапазон напряжений, в котором работает каждый тип батареи. Свинцово-кислотная батарея обычно полностью заряжается при напряжении 12,6–12,8 В, тогда как батарея LiFePO4 составляет 13,3–13,4 В. Свинцово-кислотный аккумулятор. Аккумуляторы LiFePO4 работают в очень узком диапазоне напряжений — всего 0,5 В от полного заряда до 20%.Даже при 25% -ном уровне заряда он по-прежнему будет около 12,8 В, тогда как свинцово-кислотный аккумулятор при 25% -ном уровне заряда составляет около 11,7 В с диапазоном более 1,1 В.

Теперь давайте поговорим о зарядке …

Зарядные устройства LiFePO4 практически всех основных и уважаемых брендов ограничивают напряжение заряда до 14,6 В. Это важно для ограничения напряжения, подаваемого на батарею в целом, и для сохранения максимального значения для отдельных последовательно соединенных ячеек.65В. Свинцово-кислотные зарядные устройства будут регулярно заряжать выше этого напряжения, что может привести к перезарядке ячеек (если не ограничено должным образом BMS) или вызвать проблему с отключением высокого напряжения, описанную выше. Элементы LiFePO4 нуждаются в простом профиле накопительного / абсорбционного заряда с последующим возвратом в режим питания (все еще обычно называемый плавающим, но действует иначе, чем плавающий этап свинцово-кислотного зарядного устройства), который поддерживает напряжение на уровне около 13,6 В и поддерживает любые нагрузки, получаемые от батареи. . Ступени абсорбции чрезвычайно короткие, так как напряжение увеличивается до 14.6V очень быстро в конце цикла зарядки.

Это отличается от свинцово-кислотного зарядного устройства, которое будет заряжать в основной фазе примерно до 80% при полном токе и повышающемся напряжении, при этом он переходит в этап абсорбции с постоянно уменьшающимся током, сохраняя при этом максимальное напряжение в течение многих часов. Это может занять от 2 до 8 часов (в зависимости от марки зарядного устройства) до перехода в режим плавания, а для полной зарядки аккумулятора до 100% требуется много часов. Большинство из них основаны на времени и никогда не смогут полностью зарядить аккумулятор LiFePO4.Свинцово-кислотное зарядное устройство продолжает подавать небольшой ток в батарею — подумайте о постоянном заряде, независимо от того, есть ли нагрузка для поддержания элементов питания. Если размер зарядного устройства меньше размера, то этап абсорбции может никогда не закончиться (из-за нагрузок на систему) и вернется в режим плавания по истечении заданного времени. На самом деле он может не достичь 100% заряда. Поскольку свинцово-кислотное зарядное устройство переходит на абсорбцию намного раньше, чем зарядное устройство для LiFePO4, вы всегда рискуете никогда не зарядить аккумулятор LiFePO4 полностью с помощью свинцово-кислотного зарядного устройства.

Одна из самых неприятных проблем при использовании свинцово-кислотного зарядного устройства для зарядки LiFePO4-аккумулятора — это предварительно установленные настройки напряжения в алгоритме зарядки для повторного запуска стадии объемной зарядки. Поскольку свинцово-кислотный аккумулятор полностью заряжен при 12,7–12,8 В, почти все свинцово-кислотные зарядные устройства не запускают повторный запуск массового заряда, пока оно не упадет ниже 12,5–12,7 В, поскольку его не нужно заряжать, пока не упадет напряжение небольшая сумма от полной. Используя это зарядное устройство для зарядки аккумулятора LiFePO4, оно не будет повторно запускать массовую зарядку до тех пор, пока уровень заряда аккумулятора LiFePO4 не снизится примерно до 20-25% при том же напряжении, что и свинцово-кислотный аккумулятор.Вы должны использовать почти всю емкость LiFePO4 аккумуляторов, прежде чем свинцово-кислотное зарядное устройство снова начнет заряжаться. Специальное зарядное устройство для LiFePO4 запускает стадию накопления для начала перезарядки, как правило, при напряжении 13,1-13,2 В, гарантируя, что начнется повторная зарядка, когда он все еще находится на высоком уровне заряда, а не на очень низком уровне заряда, когда будет слишком поздно. Подумайте об этом, используя солнечную батарею для зарядки батарей. Когда солнце встает утром, свинцово-кислотный солнечный контроллер заряда может вообще не начинать зарядку независимо от времени суток, если он думает, что батарея уже заряжена на основе напряжения, которое он считывает, поскольку повторное напряжение нарастает. не было встречено.Он просто останется в плавающей стадии. Вы можете потерять часть или весь дневной солнечный свет, прежде чем вообще зарядите аккумулятор, в результате чего у вас останется мало заряда или потенциально разряженные батареи на ночь.

Вы можете использовать свинцово-кислотное зарядное устройство переменного тока в постоянный с питанием от сети, так как эффективность и продолжительность заряда не имеют большого значения, оно не должно иметь автоматических режимов десульфатации или выравнивания. Если это так, не используйте его, так как высока вероятность повреждения элементов или аккумулятора.Это может значительно сократить срок службы батареи. Если он имеет простой профиль накопительной / абсорбционной / плавающей зарядки, то его можно использовать для подзарядки аккумулятора, но после зарядки его необходимо отключать и не оставлять в режиме непрерывной зарядки / обслуживания. Он также должен иметь максимальное выходное напряжение 14,4–14,6 В. Когда дело доходит до зарядных устройств постоянного тока постоянного тока и контроллеров солнечных батарей, вы должны заменить их на конкретные модели LiFePO4. Эффективное использование ограниченной мощности солнечной энергии и солнечного света в день или ограниченное время вождения с зарядкой от генератора имеет решающее значение.Вам нужно максимально использовать энергию этих источников.

В конечном счете, если бы это было так же просто, как использование свинцово-кислотных зарядных устройств, то такие компании, как REDARC, Enerdrive, Victron, Projecta, Intervolt и все другие поставщики зарядных устройств в стране, которые производят зарядные устройства для LiFePO4, не потратили бы десятки и сотни тысяч долларов на разработку конкретных моделей LiFePO4.

В месяц мы получаем десятки звонков от недовольных клиентов (и торговых посредников), в частности, по поводу этой дезинформации от продавцов других брендов.Они обнаруживают, что их зарядные устройства просто не работают так, как им обещали, и им приходится модернизировать системы зарядки после того, как недобросовестные продавцы нестандартных аккумуляторов лишили их с трудом заработанных денег.

Если вам нужны батареи LiFePO4 с долговечностью, надежностью и непревзойденной производительностью, свяжитесь с нами сегодня и спросите о литий-железо-фосфатных батареях AllSpark и зарядном устройстве, разработанном специально для аккумуляторов LiFePO4, которые эффективны и безопасны для ваших новых инвестиций.

Catchya Offroad
Jason

Можно ли оставлять литий-ионную батарею в зарядном устройстве? Часто задаваемые вопросы по зарядке аккумулятора вилочного погрузчика и другого погрузчика

Что такое ‘ Battery SoC’ и ‘ Battery DoD ’ ?

SoC или состояние заряда батареи — это уровень заряда электрической батареи относительно ее емкости: 0% — разряжена, а 100% — полна. Обратной формой этого показателя является DoD или глубина разряда, при которой 100% пусто, а 0% заполнено.

Термин «батарея SoC» обычно относится к состоянию батареи во время ее использования, тогда как термин «батарея DoD» обычно означает, какая часть общей емкости батареи была разряжена.

Существует несколько способов измерения SoC, применимых к разным типам батарей. Свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом можно измерять химически с помощью ареометра, в то время как большинство других батарей, включая литий-ионные, измеряются по их напряжению холостого хода.

Измерение напряжения батареи необходимо производить после того, как она проработала в разомкнутой цепи в течение как минимум нескольких часов, иначе на показания будут влиять ток и температура батареи, и они будут неточными.

Как можно перезарядить аккумулятор?

Перезаряд происходит, когда аккумулятор заряжается до напряжения выше указанного. Это может быть очень опасным для аккумуляторов вилочного погрузчика и, если его не контролировать, опасно для пользователей.

Правильное зарядное устройство для вашей батареи имеет решающее значение для предотвращения перезарядки; зарядное устройство должно соответствовать аккумулятору с точки зрения выходного напряжения и номинальной мощности в Ач.

В литий-ионных аккумуляторах легче избежать перезарядки, поскольку они могут частично заряжаться или заряжаться с перерывами.

Свинцово-кислотные батареи имеют более сложный процесс зарядки и должны полностью заряжаться каждый раз, когда они вставляются в розетку; по этой причине проще случайно перезарядить.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

в среднем рассчитаны на 1500 циклов зарядки, поэтому не рекомендуется заряжать их частично — вы должны делать это каждый раз полностью, чтобы продлить срок службы аккумулятора.

По тому же принципу, начинать зарядку свинцово-кислотного аккумулятора, когда его емкость превышает 50-60%, также является пустой тратой срока службы аккумулятора.Каждый цикл зарядки, независимо от SOC, по-прежнему считается одним циклом. Таким образом, чем чаще заряжается свинцово-кислотный аккумулятор, тем короче срок его службы.

Каковы последствия перезарядки аккумулятора?

В литий-ионном аккумуляторе перезарядка может создать нестабильные условия внутри аккумулятора, повысить давление и вызвать тепловой разгон.

Литий-ионные аккумуляторные блоки

должны иметь схему защиты для предотвращения чрезмерного повышения давления и отключения потока ионов при слишком высокой температуре.

Большинство литий-ионных аккумуляторных батарей также содержат систему управления батареями, чтобы контролировать их состояние заряда и отключать ток при достижении предела.

Избыточный заряд свинцово-кислотной батареи вызывает коррозию катодов, приводит к повышенному расходу воды и повышению температуры внутри батареи. В лучшем случае это приведет к снижению емкости и сокращению срока службы, а в худшем — к тепловому разгоне. Кроме того, свинцово-кислотные батареи могут выделять вредные токсичные газы при перезарядке.

Какой газ выделяется при зарядке свинцово-кислотной батареи?

Во время процесса зарядки свинцово-кислотный аккумулятор выделяет небольшое количество газообразного водорода, что может быть опасно без надлежащей вентиляции аккумулятора. Газообразный водород может быть очень взрывоопасным, если его концентрация в воздухе составляет 4% или более.

Если свинцово-кислотный аккумулятор слишком заряжен, он может выделять сероводород, имеющий запах тухлых яиц и очень ядовитый. В низких концентрациях этот аккумуляторный газ может вызвать тошноту, усталость и головокружение, а в больших количествах может быть смертельным.

Большинство свинцово-кислотных аккумуляторов необходимо снимать с погрузчиков и помещать в отдельную зону для зарядки. Помещение должно хорошо проветриваться для количества заряжаемых аккумуляторов и иметь устройства для контроля уровня газа в воздухе.

Как происходит зарядка литий-ионной батареи?

В литий-ионных батареях

на первом этапе процесса зарядки используется метод постоянного тока и постоянного напряжения. После достижения пикового напряжения аккумулятор переходит в стадию заряда насыщения.В целом этот процесс занимает около 1-2 часов.

Литий-ионные аккумуляторы

можно использовать до тех пор, пока не останется 20% их емкости. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, он не повредит аккумулятор, чтобы использовать возможность подзарядки, что означает, что пользователь может подключить аккумулятор во время обеденного перерыва, чтобы завершить зарядку и завершить смену, не разряжая аккумулятор слишком сильно.

Многие промышленные литий-ионные аккумуляторные батареи поставляются со встроенными в них зарядными устройствами, которые можно подключать к обычным электрическим розеткам, что означает, что аккумуляторы даже не нужно размещать рядом с установленным зарядным устройством для зарядки аккумуляторов.

Могут ли литий-ионные батареи повысить производительность складских помещений?

Если ваш склад работает в несколько смен, упрощенный процесс зарядки литий-ионных аккумуляторов дает огромное преимущество. Операторы вилочных погрузчиков могут заряжать литий-ионные батареи во время перерыва или в перерывах между сменами, и аккумуляторы доступны всего через 15–30 минут, чтобы вернуться в рабочее состояние, даже если они еще не полностью заряжены.

Простой оборудования может быть дорогостоящим, поэтому тот факт, что оператор вилочного погрузчика может подключить аккумулятор к зарядному устройству, не тратя время на извлечение разряженного аккумулятора и повторную установку заряженного аккумулятора, повысит производительность склада.

Plus, устраняющий необходимость переносить тысячи фунтов батареи между погрузчиками и зарядными станциями, значительно снижает риски безопасности для рабочих.

Процесс зарядки аккумуляторов может быть сложным, но важно понимать все факторы, чтобы его можно было сделать правильно, чтобы обеспечить долгий срок службы аккумуляторов. Упрощенный процесс зарядки литий-ионных аккумуляторов делает их гораздо лучшим вариантом с точки зрения безопасности и производительности для компаний, работающих в несколько смен и непрерывно заряжающих аккумуляторы.

Советы по зарядке аккумуляторов, чтобы ваши устройства оставались здоровыми

Эта история обновлена. Первоначально он был опубликован 23.08.17.

Без аккумулятора ваш дорогой ноутбук или смартфон — просто кусок мертвой электроники. И эти перезаряжаемые электростанции имеют ограниченный срок службы: со временем они начнут быстрее терять мощность и дольше заряжаться.

Чтобы максимально продлить срок службы аккумулятора, необходимо правильно ухаживать за устройством.Это означает, что вы должны научиться правильно заряжать аккумулятор и бережно хранить его. Вот что вам нужно знать.

Наука о литий-ионных аккумуляторах

Все аккумуляторные батареи современных смартфонов, планшетов, ноутбуков и других устройств используют литий-ионную технологию. Как и следовало ожидать, они содержат… ионы лития. Как объяснил Popular Science в нашем обзоре батареи Powerwall от Tesla:

Когда батарея заряжается, положительно заряженные ионы лития перемещаются от одного электрода, называемого катодом, к другому, известному как анод, через раствор электролита в элементе батареи.Это заставляет электроны концентрироваться на аноде с отрицательной стороны. Когда аккумулятор разряжен, происходит обратное. Что касается этих электронов, они движутся по цепям, которые являются внешними по отношению к батарее, обеспечивая сок.

Эти электроны фактически снабжают энергией ваш смартфон или планшет — или, в случае Tesla, весь ваш дом.

За прошедшие годы ученые изменили формулу химического состава литий-ионных аккумуляторов, чтобы они работали дольше, заряжались быстрее и работали более эффективно.Несмотря на их переделку, литий-ионные аккумуляторы все еще имеют установленный срок службы, потому что цикл зарядки, разрядки и перезарядки аккумулятора может повторяться только определенное количество раз. Предел может быть разным, но срок службы большинства аккумуляторных батарей составляет два-три года.

Это связано с природой химических реакций, происходящих на аноде и катоде. По мере их возникновения образуются тонкие слои изолирующих атомов, препятствующие эффективности электродов, поэтому, если вы заметили, что срок службы батареи старого смартфона или ноутбука снизился, вы можете винить в этом скопление атомов.

Как работает зарядка и подзарядка аккумулятора

Вам не обязательно наблюдать за перезарядкой литий-ионного аккумулятора, но лучше не забывать об этом. Samsung

Так как же продлить срок службы литий-ионного аккумулятора? Возможно, вы слышали, что вам нужно выполнить полную зарядку и разрядку, когда ваше устройство находится прямо из коробки, но это не имеет значения для современных аккумуляторов. Важнее всего то, как вы заряжаете свой телефон или ноутбук после того, как начали им пользоваться.

Мелкие разряды и перезарядки лучше, чем полные, потому что они меньше нагружают аккумулятор, поэтому он служит дольше.Когда ваша батарея разряжается, Battery University рекомендует, чтобы она достигла 50 процентов, прежде чем снова доливать ее. Во время повторной зарядки также не следует доводить литий-ионный аккумулятор до 100%.

Если вы полностью зарядили аккумулятор, не оставляйте устройство подключенным. Вместо этого следуйте только что упомянутому циклу неглубокой разрядки и подзарядки. Это не проблема безопасности: литий-ионные батареи имеют встроенные защитные устройства, предназначенные для предотвращения их взрыва, если они оставлены заряжаться при максимальной емкости.Но в долгосрочной перспективе электроника будет стареть быстрее, если она будет постоянно подключаться к электросети и заряжена на 100 процентов.

[Связано: Вставьте беспроводное зарядное устройство прямо в стол ]

Хотя неглубокие заряды и разряды являются оптимальным вариантом для долголетия, из этого правила есть исключения. Раз в месяц дайте аккумулятору полностью разрядиться примерно до 5 процентов, просто чтобы повторно откалибровать его самооценку. Этот механизм позволяет вашему ноутбуку или смартфону показывать «приблизительное оставшееся время работы от батареи», которое довольно точно.Однако регулярные полные разряды — не лучшая идея. В целом, по словам Samsung, уровень заряда батареи должен быть выше 20 процентов.

Между прочим, это все рекомендации. Нет ничего опасного в том, чтобы держать телефон заряженным на ночь, а современные телефоны и ноутбуки оснащены механизмами, снижающими нагрузку на аккумулятор, если ваше устройство постоянно подключено к сети. К счастью для пользователей, каждый год в технологию вносятся небольшие изменения и улучшения, поэтому каждый раз, когда вы обновляете свой смартфон, вы получаете литий-ионный аккумулятор, который должен работать дольше между зарядками и работать дольше.

Хранение аккумуляторов и общий уход

Убедитесь, что ваш телефон не выдерживает экстремальных температур. Samsung

Литий-ионные аккумуляторы не любят экстремальные температуры. По возможности не оставляйте телефоны и ноутбуки в горячих машинах или в холодных помещениях, потому что такие экстремальные температуры не пойдут на пользу их батареям. Вам следует особенно остерегаться перегрева во время зарядки — хотя, если производитель вашего телефона или ноутбука выполнил свою работу, это не должно быть проблемой.

В качестве еще одной меры предосторожности вам также следует убедиться, что вы используете официальное зарядное устройство, которое идет в комплекте с вашим телефоном или планшетом, или вы должны инвестировать в точную замену. Это гарантирует, что зарядное устройство безопасно использовать с аккумулятором вашего устройства и оптимизировано для его максимально эффективной зарядки. Официальное зарядное устройство применит лучшие методы для общего состояния вашего аккумулятора.

Если вы собираетесь хранить свой ноутбук или смартфон в течение длительного периода времени, вам следует оставить гаджет с заряженным примерно на 50 процентов, как рекомендовано Apple и другими источниками.Выключайте устройство на время хранения и, как мы упоминали ранее, не забудьте хранить его в месте, где хранится Златовласка: не слишком горячо и не слишком холодно.

Документация, поставляемая с вашим устройством, должна включать больше советов и советов по зарядке аккумулятора, поэтому внимательно прочтите ее, чтобы узнать о любых дополнительных рекомендациях по обращению с вашими драгоценными блоками питания как можно более бережно. Примените эту небольшую дополнительную осторожность, и вы обнаружите, что батареи внутри вашего телефона или ноутбука хватит, по крайней мере, до тех пор, пока вы не будете готовы к обновлению.

Быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов при любых температурах

Значимость

Беспокойство о запасе хода является ключевой причиной того, что потребители неохотно выбирают электромобили. Чтобы быть действительно конкурентоспособными с бензиновыми автомобилями, электромобили должны позволять водителям быстро перезаряжаться в любом месте в любую погоду, например, заправлять бензиновые автомобили. Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких или даже низких температурах из-за риска литиевого покрытия, образования металлического лития, что резко сокращает срок службы батареи и даже создает угрозу безопасности.Здесь мы представляем подход, который обеспечивает быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов за 15 минут при любых температурах (даже при -50 ° C), сохраняя при этом значительный срок службы (4500 циклов, что эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль электромобиля). срок службы), что делает электромобили действительно независимыми от погодных условий.

Аннотация

Быстрая зарядка — ключевой фактор массового внедрения электромобилей (EV). Ни один из современных электромобилей не выдерживает быстрой зарядки при низких или даже низких температурах из-за риска литиевого покрытия.Попытки включить быструю зарядку затрудняются из-за компромиссного характера литий-ионной батареи: улучшение возможности быстрой низкотемпературной зарядки обычно приносит в жертву долговечность элементов. Здесь мы представляем управляемую структуру ячеек, чтобы избавиться от этого компромисса и обеспечить быструю зарядку без литиевого покрытия (LPF). Кроме того, элемент LPF обеспечивает унифицированную практику зарядки независимо от температуры окружающей среды, предлагая платформу для разработки материалов для аккумуляторов без температурных ограничений.Мы демонстрируем элемент LPF емкостью 9,5 Ач 170 Вт · ч / кг, который можно зарядить до 80% за 15 минут даже при -50 ° C (за пределами рабочего предела элемента). Кроме того, элемент LPF выдерживает 4500 циклов зарядки 3,5-C при 0 ° C с потерей емкости <20%, что в 90 раз увеличивает срок службы по сравнению с базовым обычным элементом и эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль. Срок службы электромобиля в таких экстремальных условиях использования, т. Е. 3,5 ° C или 15-минутная быстрая зарядка при отрицательных температурах.

Электромобили (электромобили) имеют большие перспективы в решении проблем изменения климата и энергетической безопасности (1).Автопроизводители выстраиваются в очередь, чтобы наводнить рынок серией новых электромобилей. Несмотря на быстрое падение стоимости литий-ионных аккумуляторов (LiB) на 80% за последние 7 лет (2), рынок электромобилей по-прежнему составляет лишь около 1% годовых продаж легковых автомобилей. Беспокойство о запасе хода, страх, что у электромобиля может закончиться заряд во время поездки с водителем, который остался в затруднительном положении, долгое время считался основной причиной, по которой потребители неохотно выбирают электромобили. Это беспокойство усугубляется тем фактом, что подзарядка электромобилей обычно занимает гораздо больше времени, чем заправка автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ICEV).Исследования показали, что годовой пробег электромобилей увеличился более чем на 25% в районах, где водители имеют доступ к станциям быстрой зарядки, даже в тех случаях, когда быстрая зарядка использовалась для от 1 до 5% от общего числа случаев зарядки (3).

По всему миру идет захватывающая гонка за увеличение количества и мощности станций быстрой зарядки. BMW, Daimler, Ford и Volkswagen в прошлом году создали совместное предприятие (4) для развертывания 400 «сверхбыстрых» зарядных станций по всей Европе к 2020 году с мощностью зарядки до 350 кВт, что позволяет заряжать электромобиль с пробегом 200 миль. (е.г., Chevy Bolt с батареей на 60 кВтч) за ∼10 мин. Honda также объявила о планах по выпуску электромобилей, способных к 15-минутной быстрой зарядке к 2022 году. Совсем недавно Министерство энергетики США объявило о финансировании проектов по разработке технологий сверхбыстрой зарядки (5), направленных на дальнейшее увеличение мощности зарядки до 400 кВт.

Критическим препятствием для быстрой зарядки является температура. Чтобы быть действительно конкурентоспособными с ICEV, быстрая зарядка электромобилей не должна зависеть от региона и погодных условий, так же, как заправка бензинового автомобиля.Зимой на половине территории США средняя температура ниже 0 ° C, как показано на рис. 1 A (6). Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких температурах. Nissan Leaf, например, можно зарядить до 80% за 30 минут (заряд ~ 2 ° C) при комнатной температуре, но для зарядки того же количества энергии при низких температурах потребуется> 90 минут (заряд + . В суровых условиях большая поляризация анода может подтолкнуть потенциал графита ниже порога для литиевого покрытия (8, 9).

Рис. 1.

LPF Быстрая зарядка независимо от температуры окружающей среды. ( A ) Средняя зимняя температура в США. Половина из них <0 ° C, а 47 состояний <10 ° C. ( B ) Литературные данные о сроке службы при различных температурах, нормированные на срок службы при 25 ° C. Элемент LPF позволяет сместить парадигму от экспоненциальной линии обычных литий-ионных элементов к верхней горизонтальной линии.( C — E ) Схематическое изображение структуры управляемых ячеек для быстрой зарядки LPF. Ячейка ( ° C, ) первоначально при температуре замерзания, ( D ) проходит этап быстрого внутреннего нагрева, чтобы поднять ее температуру выше порогового значения (T _LPF ), которое устраняет литиевое покрытие до того, как ( E ) станет заряжен. Используется структура самонагревающейся батареи, которая имеет тонкую никелевую фольгу внутри элемента (подробности см. В приложении SI , рис. S4).Эта структура ячейки обеспечивает интеллектуальное управление разделением тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры ячейки (ячейка T _, ). ( D ) Если ячейка T LPF , переключатель замкнут, чтобы направить весь ток в никелевую фольгу для быстрого нагрева (~ 1 ° C / с) без проникновения в материалы анода (без покрытия). ( E ) Как только элемент T > T _LPF , переключатель размыкается, и весь ток уходит в электродные материалы для быстрой зарядки без литиевого покрытия.

Основным признаком литиевого покрытия является резкая потеря емкости в дополнение к угрозам безопасности. Действительно, недавние данные показали, что срок службы LiB значительно снижается с температурой. Коммерческий 16-Ач графит / LiNi _1/3 Mn _1/3 Co _1/3 O _{2 ячейки} в европейском проекте Mat4Bat потеряли 75% емкости за 50 циклов при 1-C заряда при 5 ° C (10), хотя одни и те же клетки могут выдержать 4000 циклов при 25 ° C. Schimpe et al. (11) циклически повторяли идентичные элементы графит / LiFePO ₄ при разных температурах.Ячейки при 25 ° C потеряли 8% емкости за 2800 эквивалентных полных циклов (EFC). При такой же потере емкости срок службы элементов сокращается до 1800 EFC при 15 ° C, 1400 EFC при 10 ° C и 350 EFC при 0 ° C. На рис. 1 B обобщены некоторые недавние данные (11⇓⇓⇓ – 15) в литературе по сроку службы при различных температурах, нормированные на соответствующий срок службы при 25 ° C. Можно отметить явное экспоненциальное падение жизненного цикла с температурой в соответствии с законом Аррениуса, предложенным Waldmann et al. (12). Даже при низкой температуре 10 ° C срок службы элементов составляет лишь половину от срока службы при 25 ° C.Стоит отметить, что в 47 из 50 штатов США зимой средняя температура ниже 10 ° C (рис. 1 A ). Даже при ежегодном усреднении ( SI Приложение , рис. S1) 23 состояния имеют температуру ниже 10 ° C. Таким образом, даже когда станции быстрой зарядки становятся повсеместными, потребители все еще не могут быстро заправлять свои электромобили в течение большей части года из-за низких температур окружающей среды.

В основном, на литиевое покрытие влияют скорость ионной проводимости и диффузии в электролите, диффузия лития в частицах графита и кинетика реакции на графитовых поверхностях.Все ключевые параметры, управляющие этими процессами, подчиняются закону Аррениуса и существенно падают с температурой ( SI Приложение , рис. S2). Таким образом, подключаемый гибридный элемент EV (PHEV), который может выдерживать заряд 4 ° C без литиевого покрытия при 25 ° C, может допускать заряд только 1,5 ° C при 10 ° C и C / 1,5 при 0 ° C для предотвращения литиевое покрытие ( SI, приложение , рис. S3), которое объясняет длительное время перезарядки современных электромобилей при низких температурах. Для повышения способности к быстрой зарядке исследования в литературе были сосредоточены на улучшении анодных материалов, таких как покрытие графита нанослоем аморфного кремния (16, 17), и разработке новых материалов, таких как титанат лития (18, 19) и графеновые шары (20), и по разработке новых электролитов (21, 22) и добавок (23).LiBs, однако, хорошо известны своей компромиссной природой между ключевыми параметрами (24). Улучшение одного свойства без ущерба для другого всегда нетривиально. Например, электролит с превосходными характеристиками при низких температурах довольно часто нестабилен при высоких температурах (23, 24). Точно так же уменьшение размера частиц и / или увеличение площади поверхности активных материалов Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) способствует быстрой зарядке, но при этом страдает срок службы батареи и безопасность. Чрезвычайно сложно, если вообще возможно, разработать материалы с высокой скоростью зарядки, сохраняя при этом долговечность и безопасность в широком диапазоне температур.

Здесь мы делаем попытку освободить науку об аккумуляторах от компромиссов. В частности, мы представляем структуру ячеек, которой можно активно управлять для достижения быстрой зарядки без литиевого покрытия (LPF) при любых температурах окружающей среды, что позволяет изменить парадигму отношения между сроком службы цикла и температурой (рис. 1 B ), ​​с корреляция Аррениуса обычных LiB с горизонтальной линией, нечувствительной к температуре. Мы выбрали пакетные ячейки емкостью 9,5 Ач с графитовым анодом, LiNi _0.6 Mn _0,2 Co _0,2 O ₂ (NMC622) катод и плотность энергии на уровне ячейки 170 Втч / кг для демонстрации. Благодаря структуре ячеек LPF, элемент выдержал 4500 циклов (2806 EFC) зарядки 3,5-C при 0 ° C до достижения 20% потери емкости, что означает, что даже если электромобиль заряжается один раз в день в таких суровых условиях, Элемент LPF имеет срок службы 12,5 лет и может обеспечить дальность действия> 280 000 миль (при условии, что 1 EFC ≈ 100 миль). Это уже выходит за рамки гарантии большинства ICEV.Для сравнения, обычный LiB-элемент с идентичными материалами батареи в тех же условиях тестирования (заряд 3,5 ° C при 0 ° C) потерял 20% емкости всего за 50 циклов и 23 EFC.

Кроме того, в этой работе подчеркивается концепция унифицированной практики зарядки, независимой от температуры окружающей среды. Для электромобилей профили разряда батареи зависят от поведения водителей, но протоколы зарядки определяются производителями. Сегодняшние электромобили должны снижать скорость зарядки при понижении температуры из-за опасений по поводу литиевого покрытия.С помощью элемента LPF зарядка при любой температуре окружающей среды превращается в зарядку при оптимальной температуре всего за десятки секунд. Как показано здесь, элемент LPF может быть заряжен до 80% состояния заряда (SOC) за 15 минут даже при температуре окружающей среды -50 ° C. Более того, кривая зарядного напряжения при -50 ° C почти такая же, как и при 25 ° C. Эта унифицированная практика зарядки может значительно упростить управление аккумулятором и продлить срок его службы.

Кроме того, ячейка LPF предлагает платформу для материаловедов.Неизменной проблемой при исследовании материалов для аккумуляторов является поиск материалов, которые могут поддерживать хорошие характеристики в широком диапазоне температур. Поскольку температурные ограничения снимаются с ячейками LPF, исследователям нужно только оптимизировать характеристики материала около одной температуры.

Результаты и обсуждение

Контролируемая структура ячеек для быстрой зарядки LPF.

Ключевая идея быстрой зарядки LPF состоит в том, чтобы заряжать элемент всегда выше температуры, которая может препятствовать образованию литиевого покрытия, далее именуемой температурой LPF (T _LPF ).Как показано на рис. 1 C — E , этап быстрого внутреннего нагрева (рис. 1 D ) добавляется перед этапом зарядки (рис. 1 E ), ​​чтобы убедиться, что аккумулятор заряжен при температура выше T _LPF .

Быстрый нагрев необходим для быстрой зарядки LPF, так как общее время зарядки, включая нагрев, ограничено от 10 до 15 минут. Обычные методы нагрева батареи с использованием внешних нагревательных устройств или систем управления температурой ограничены внутренним конфликтом между скоростью нагрева и однородностью (т.е., высокая скорость нагрева приводит к неоднородной температуре и локализованному перегреву вблизи поверхности ячейки), как подробно описано в ссылке. 25; таким образом, их скорость нагрева ограничена ~ 1 ° C / мин (26), что означает, что нагрев от -20 ° C до 20 ° C уже займет> 40 мин. Добавляя время на зарядку, он уже не в категории быстрой зарядки. В этой работе мы используем самонагревающуюся структуру LiB (27), которая имеет тонкую никелевую (Ni) фольгу, встроенную в ячейку, которая может создавать огромный и равномерный нагрев, как показано в приложении SI , рис.S4. Фольга Ni является неотъемлемым компонентом отдельной ячейки вместе с электродами и электролитом. Он служит внутренним нагревательным элементом, а также внутренним датчиком температуры, поскольку его электрическое сопротивление линейно зависит от температуры ( SI Приложение , рис. S5). Кроме того, введение никелевой фольги добавляет только 0,5% веса и 0,04% стоимости по сравнению с обычным одиночным элементом LiB.

Стратегия управления, основанная на структуре самонагревающейся батареи, разработана в этой работе, как показано на рис.1 С — E . Ключом к этой стратегии является интеллектуальное разделение входного тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры элемента (T _{, ячейка} ). Если T _{элемент} LPF (Рис. 1 D ), ​​постоянное напряжение, близкое к напряжению холостого хода элемента (OCV), применяется вместе с замыканием переключателя между положительной клеммой и клеммой активации. Поскольку напряжение элемента ≈ OCV, весь ток от источника заряда направляется к никелевой фольге, чтобы генерировать огромное внутреннее тепло, не проникая в материалы анода (без литиевого покрытия).Как только элемент T > T _LPF (рис. 1 E ), ​​переключатель открывается для перехода из режима нагрева в режим зарядки, при этом ток подается на материалы электродов без какого-либо риска литиевого покрытия.

Для демонстрации быстрой зарядки LPF мы выбираем карманные элементы 9,5 Ач / NMC622. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см ² и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Выбор скорости заряда и T _LPF основан на результатах моделирования потенциала осаждения Li (LDP) в приложении SI , рис.S3 с использованием откалиброванной модели LiB. В общем, T _LPF должна иметь минимальную температуру, при которой можно избежать лития при данной скорости заряда. Хотя более высокая температура всегда благоприятна для устранения литиевого покрытия, она также может ускорить рост межфазной границы твердого электролита (SEI). В этой работе скорость заряда 3,5 C и T _LPF ∼25 ° C выбраны на основе SI Приложение , рис. S3 C .

На рис.2 показан общий процесс быстрой зарядки LPF 9.Элемент емкостью 5 Ач при экстремальной температуре −40 ° C. Перед испытанием полностью разряженный элемент выдерживали в климатической камере при -40 ° C на> 12 часов. Чтобы гарантировать, что элемент не был заряжен (без литиевого покрытия) на этапе нагрева, напряжение 3,15 В, немного ниже, чем OCV (~ 3,2 В), было приложено вместе с включением переключателя (см. Рис. 1 D ). Таким образом, весь входной ток проходил через никелевые фольги (рис. 2 E ) автоматически, не затрагивая материалы батареи.Поскольку напряжение ячейки было установлено на 50 мВ ниже, чем OCV, ячейка слегка разряжалась на этапе нагрева, которая постепенно увеличивалась до ~ 0,2 ° C к концу, когда ячейка стала нагретой (рис. 2 F ). Тем не менее, общая разрядная емкость на этапе нагрева составляет только 6,85 × 10 ^-3 Ач или 0,072% емкости элемента и, следовательно, несущественна. Благодаря сильному току, протекающему через никелевые фольги, ячейка быстро нагревается (рис. 2 C ).Когда температура поверхности достигала 20 ° C, выключатель открывался для завершения этапа нагрева, а затем ячейка отдыхала 10 с для релаксации внутреннего температурного градиента. Как показано на рис. 2 G , температура Ni-фольги, самая высокая температура внутри ячейки, была <45 ° C во время нагрева и быстро падала и достигала температуры поверхности около 27 ° C после 10-секундного периода покоя. что указывает на то, что быстрый нагрев не вызывает никаких опасений по поводу безопасности. После этого ячейка переключилась в режим заряда с использованием протокола постоянного тока и постоянного напряжения (CCCV) при токе 3.5 C ограничено напряжением отсечки 4,2 В до достижения 80% SOC. Весь процесс занял 894,8 с (14,9 мин), включая 61,6 с нагрева и 10 с термической релаксации.

Рис. 2.

Быстрая 15-минутная зарядка при −40 ° C. ( A — D ) Эволюция напряжения ( A ) элемента, ( B ) разделение тока между никелевой (Ni) фольгой и элементом, ( C ) температура поверхности и ( D ) SOC . Первоначально ячейка была при 0% SOC и -40 ° C, с OCV ~ 3.2 В. Весь процесс зарядки был разделен на этап быстрого внутреннего нагрева, за которым следовала 10-секундная пауза, а затем зарядка CCCV (3,5 ° C, 4,2 В) до достижения 80% SOC. ( E и F ) Интеллектуальное управление разделением тока между никелевой фольгой и материалами электродов в процессе нагрева. ( E ) Весь входной ток проходит в никелевые фольги, а ( F ) незначительный ток проходит в материалы анода (без покрытия) на этапе нагрева. ( G ) Эволюция температуры поверхности и фольги Ni во время стадий нагрева и релаксации.

Для сравнения идентичную базовую ячейку заряжали без этапа быстрого нагрева с использованием того же протокола CCCV при -40 ° C ( SI Приложение , рис. S6). Из-за чрезвычайно медленной электрохимической кинетики и транспорта электролита и, следовательно, высокого внутреннего сопротивления, напряжение элемента достигло предела 4,2 В сразу после зарядки ( SI Приложение , рис. S6 A ), ​​а пусковой ток составлял всего ∼0,2 C. ( SI Приложение , рис. S6 B ).Зарядный ток медленно восстанавливался при медленном повышении температуры ( SI Приложение , рис. S6 C ) из-за ограниченной скорости тепловыделения. Максимальный зарядный ток составлял всего 0,85 C, и потребовалось 115 минут, чтобы достичь 80% SOC, что в 7,7 раза больше, чем у элемента LPF.

В общем, при очень низких температурах можно разработать батарею, которая разряжает разумный процент емкости; однако зарядить аккумулятор с разумной скоростью практически невозможно.Это происходит из-за асимметричной электрохимической кинетики зарядки по сравнению с разрядкой, преобладающей в электрохимии. С другой стороны, приложения обычно требуют более высокой скорости зарядки для экономии времени. Представленный здесь способ нагрева-заряда с помощью самонагревающейся конструкции батареи позволяет разделить процессы заряда и разряда за счет быстрой модуляции внутренней температуры; таким образом, он способен преодолевать более слабую электрохимическую кинетику зарядки, чем разряд, для широкого набора электрохимических ячеек накопления энергии.

Унифицированная кривая зарядки, не зависящая от температуры окружающей среды.

На Рис. 3 сравнивается зарядка элемента LPF на 9,5 Ач при различных температурах окружающей среды (−50 ° C, −40 ° C, −20 ° C и 0 ° C). Протокол испытаний был одинаковым для всех случаев: (–) полная разрядка при 25 ° C, а затем охлаждение до температуры испытания; ( ii ) быстрое нагревание путем приложения постоянного напряжения 3,15 В до тех пор, пока температура поверхности не станет> 20 ° C; ( iii ) 10-секундное расслабление; и ( iv ) зарядка CCCV (3.5 C, 4,2 В) до 80% SOC. Видно, что кривые напряжения практически одинаковы во всех случаях, несмотря на огромную разницу в температуре окружающей среды (рис. 3 A ). Нагрев ячейки с -50 до 20 ° C (∼1 ° C / с) занял 69 с, а от 0 ° C до 20 ° C (0,66 ° C / с) — 30,2 с. Более быстрый нагрев при более низкой температуре окружающей среды выиграл от снижения сопротивления фольги Ni с повышением температуры ( SI Приложение , рис. S5), что привело к более высокому току нагрева при более низкой температуре (рис. 3 C ).Даже в случае -50 ° C этап нагрева составлял только 7,6% времени всего процесса. Общее время зарядки элемента до 80% SOC было одинаковым во всех четырех случаях (рис. 3 B , 905,7 с при –50 ° C и 863,2 с при 0 ° C, разница ∼5%). Таким образом, жесткие ограничения температуры окружающей среды на время зарядки, как и во всех современных электромобилях, полностью снимаются с помощью элемента LPF.

Рис. 3.

Единая практика зарядки независимо от температуры окружающей среды. ( A ) Кривые напряжения элемента LPF при различных температурах окружающей среды.Во всех тестах элемент прошел этап быстрого нагрева при 3,15 В до достижения температуры поверхности> 20 ° C, выдерживался в течение 10 с, а затем заряжался постоянным током 3,5 ° C с последующим постоянным напряжением 4,2 В. до достижения 80% SOC. ( B ) Сводка времени нагрева и общего времени, демонстрирующая, что ограничения температуры окружающей среды на время зарядки устранены. ( C и D ) Эволюция ( C ) тока через никелевую фольгу и ( D ) температуры поверхности ячейки на этапе быстрого нагрева.

Температура как поверхности, так и Ni-фольги достигла ∼27 ° C после 10-секундной термической релаксации ( SI Приложение , рис. S7) во всех четырех случаях, что указывает на то, что начальная точка зарядки аналогична. Таким образом, кривые напряжения при последующей зарядке CCCV были очень похожими ( SI Приложение , Рис. S8 A ). Немного более высокое напряжение при более низкой температуре окружающей среды было приписано большему перепаду температуры во время зарядки ( SI Приложение , рис. S8 B ) из-за сильного охлаждения в климатической камере.При улучшении теплоизоляции и управления можно ожидать, что кривая зарядки станет унифицированной и независимой от температуры окружающей среды. Унифицированная кривая заряда может значительно упростить систему управления батареями и повысить точность оценки состояния батареи (SOC, состояние здоровья и т. Д.) И, следовательно, чрезвычайно полезна для электромобилей.

Следует отметить, что современные электромобили, в принципе, также могут быть нагреты до> T _LPF перед зарядкой, используя системы терморегулирования вне отдельных элементов; однако изначально низкая скорость внешнего нагрева (<1 ° C / мин) не позволяет решить проблему быстрой зарядки.Кроме того, поскольку автомобильные элементы становятся все больше и толще для снижения стоимости производства, скорость внешнего нагрева должна быть дополнительно снижена, чтобы избежать локального перегрева на поверхности элемента (25). Наш метод вставки никелевой фольги обеспечивает быстрый и равномерный внутренний нагрев независимо от размера ячейки (равномерность нагрева может быть гарантирована добавлением нескольких никелевых фольг). Этот метод также может быть применен к ячейкам другой геометрии. Например, фольга Ni может образовывать оболочку, обернутую вокруг первой половины цилиндрического рулона с желе перед намоткой второй половины, таким образом помещая ее прямо в середину рулона с желе для цилиндрической ячейки.Несколько примеров конструкций из никелевой фольги для различных типов и форм-факторов ячеек можно найти в ссылке. 28. Кроме того, поток тока внутри элемента между нагревательным элементом и материалами батареи активно регулируется, обеспечивая плавное переключение между режимом быстрого нагрева и режимом зарядки в зависимости от температуры элемента. Даже в крайнем случае -50 ° C, когда электролит уже перестает работать, элемент LPF все еще заряжается до 80% SOC за 15 минут, как и при комнатной температуре, что еще раз демонстрирует свой потенциал сделать электромобили по-настоящему региональными и погодными. -независимый.

Замечательный срок службы за счет отсутствия литиевого покрытия.

Далее мы демонстрируем устранение литиевого покрытия в элементе LPF. Зарядка ячейки LPF при 0 ° C сравнивается с двумя стандартными ячейками базовой линии с идентичными материалами и электродами, которые были заряжены по тому же протоколу CCCV (3,5 C, 4,2 В) до 80% SOC без этапа нагрева. Одна базовая ячейка была протестирована при 0 ° C, а другая — при 25 ° C. Как показано на Рис. 4 A , кривая напряжения ячейки LPF при 0 ° C после этапа быстрого нагрева почти перекрывалась с кривой напряжения базовой ячейки при 25 ° C, с очень небольшой разницей из-за разницы в температуре. (Рис.4 В ). Однако базовая ячейка при 0 ° C имеет гораздо более высокое напряжение, чем две другие ячейки из-за ее высокого внутреннего сопротивления. Все три ячейки были оставлены в разомкнутой цепи после зарядки до 80% SOC, и кривые напряжения во время релаксации сравниваются на рис. 4 C . Четкое плато напряжения наблюдается на кривой релаксации базовой ячейки при 0 ° C, что приводит к локальному пику на кривой дифференциального напряжения (рис. 4 D ). Плато напряжения и пик дифференциального напряжения указывают на появление металлического лития, и, таким образом, являются четким доказательством того, что покрытие литием произошло в 3.5-C зарядка базового элемента при 0 ° C. В двух других случаях напряжение элемента быстро падает до относительно стабильного значения, что указывает на отсутствие литиевого покрытия во время зарядки.

Рис. 4.

Замечательный срок службы элемента LPF. Сравнение базовых ячеек при 0 ° C и 25 ° C с ячейкой LPF при 0 ° C с точки зрения напряжения ( A, ) и температуры поверхности ( B ) во время зарядки и ( C ) напряжения и ( D). ) производная напряжения во время релаксации ячейки после зарядки по времени.Все элементы были заряжены током 3,5 ° C, ограниченным 4,2 В, пока они не достигли 80% SOC. Плато напряжения в ° C, и локальный пик дифференциального напряжения в D базовой ячейки при 0 ° C указывают на удаление металлического лития. ( E ) Сохранение емкости в зависимости от количества циклов для элемента LPF и цикла базовой ячейки с зарядкой 3,5 ° C при температуре окружающей среды 0 ° C.

Отсутствие литиевого покрытия значительно увеличило срок службы при низких температурах. Велоспорт-тесты проводились с 3.Зарядка 5-C до 4,2 В с последующим 2-минутным перерывом и затем разряд 1-C до 2,7 В. Для элемента LPF этап быстрого нагрева при постоянном напряжении 3,4 В выполнялся в начале каждого цикла и завершался. при Т _ячейка > 20 ° С с последующей 10-секундной релаксацией. Ячейки полностью охлаждались до 0 ° C после этапа разряда перед началом следующего цикла. Изменения напряжения и температуры во время цикла приведены в приложении SI , рис. S9 (один цикл) и в приложении SI , рис.S10 (10 циклов). Пропускная способность каждого цикла указана в приложении SI , рис. S11. Циклические испытания периодически приостанавливались для калибровки емкости элемента с эталонным тестом производительности (RPT) при 25 ° C ( SI Приложение , рис. S12). Измеренная разрядная емкость C / 3 в RPT была нанесена на график зависимости от номера цикла на рис. 4 E как для базовой линии, так и для ячеек LPF. Базовая ячейка потеряла 20% емкости всего за 50 циклов, тогда как ячейка LPF выдержала 4500 циклов при том же сохранении емкости, что составляет 90-кратное увеличение срока службы.Даже если водители электромобилей выполняют быструю зарядку один раз в день, 4500 циклов означают 12,5 года работы. При преобразовании в EFC (т. Е. Общая емкость, разряженная во время цикла, деленная на номинальную емкость 9,5 Ач), было получено 2806 EFC при сохранении емкости 80%, что в 122 раза больше по сравнению с базовой ячейкой (23 EFC). Предполагая 100-мильный запас хода на EFC (например, BMW i3), 2806 EFC указывают на срок службы> 280 000 миль, что намного превышает гарантии современных ICEV.

Две вышеуказанные ячейки на рис.4 E далее сравнивают с дополнительными базовыми клетками, один цикл подвергался 10 ° C, а другой — 22 ° C. Эти два базовых элемента изначально были при 20% SOC и заряжались и разряжались фиксированным объемом, равным 60% SOC свежего элемента в каждом цикле, с CCCV (3 C, 4,2 В) зарядом и 1-C разрядом. Поскольку протоколы циклирования несколько отличаются, сохранение емкости этих ячеек показано в зависимости от EFC на рис. 5 A . Отметим, что элемент с зарядкой 3-C при 10 ° C продержался всего 317 EFC при сохранении 80% емкости.Более того, элемент LPF при 0 ° C имеет даже более длительный срок службы, чем элемент базового уровня при 22 ° C. Причина двоякая. Во-первых, поскольку литиевое покрытие исключается, доминирующим механизмом старения является рост SEI, который зависит в первую очередь от температуры. Как показано в Приложении SI , рис. S10 B , разрядная и охлаждающая части элемента LPF были ниже 22 ° C. Средняя температура ячейки LPF в 10 циклах, показанных в приложении SI , рис. S10 B , составляет 11,6 ° C, что намного ниже средней температуры базовой ячейки (~ 28 ° C).Таким образом, рост SEI в клетке LPF в целом был медленнее, чем в базовой клетке. Во-вторых, базовая ячейка заряжалась на фиксированную величину емкости в каждом цикле, которая равнялась 60% SOC свежей ячейки, но становилась больше, чем 60% SOC по мере разрушения ячейки. Таким образом, базовый элемент был заряжен до более высокого SOC, чем элемент LPF (заряжен до 4,2 В, без ступени постоянного напряжения) на поздней стадии цикла. Более высокий SOC также приведет к более быстрому росту SEI.

Рис. 5.

Смена парадигмы влияния температуры окружающей среды на старение клеток.( A ) Сравнение срока службы элемента LPF при зарядке 3,5 ° C при 0 ° C с одинаковыми базовыми элементами при разных температурах. ( B ) Скорость старения в зависимости от обратной температуры четырех ячеек в A . Скорость старения определяется как отношение потери мощности (в процентах) к EFC в конце срока службы и отображается в логарифмической шкале. ( C ) Скорость старения HE ячеек следующего поколения (с толстым электродом) в литературе. Оптимальная температура зарядки HE EV ячеек сдвигается с ∼25 ° C для существующих PHEV ячеек до ∼40 ° C до 50 ° C.

Рис. 5 B дополнительно сравнивает скорость старения в четырех вышеупомянутых случаях, которая определяется как отношение потери емкости (в процентах) к EFC в конце срока службы и отображается в логарифмической шкале в зависимости от обратной температуры. Для базовых ячеек логарифм скорости старения в зависимости от 1 / T может быть описан линейной линией, подтверждающей, что скорость старения обычных LiBs следует закону Аррениуса (12). Энергия активации оценивается в -1,37 эВ, что находится в пределах диапазона, указанного в литературе (29).Мы отмечаем, что скорость старения ячейки LPF при 0 ° C снизилась на два порядка по сравнению с базовой стандартной ячейкой и стала близкой к скорости старения базовой ячейки при комнатной температуре, что указывает на сдвиг парадигмы в соотношении между скорость старения и температура окружающей среды.

LPF Быстрая зарядка высокоэнергетических элементов при повышенной температуре.

Для будущих электромобилей дальнего действия требуется плотность энергии на уровне системы не менее 225 Втч / кг, что требует плотности энергии на уровне элементов> 300 Втч / кг (30).Типичный подход к увеличению плотности энергии на уровне ячейки — увеличение площади поверхности (и толщины) электродов. Однако элементы с более толстыми анодами более склонны к нанесению литиевого покрытия из-за большего сопротивления переносу электролита. Недавняя работа (30) показала, что ячейка-пакет из графита / NMC622 с поверхностной нагрузкой 3,3 мАч / см ² , ∼1,8 × ячейки PHEV в этой работе, потеряла 22,5% емкости за 52 цикла заряда 1,5-C при 30 ° С. После демонтажа старого элемента было обнаружено большое количество металлического лития, что указывает на то, что покрытие литием может быть серьезной проблемой в элементах с высокой энергией (HE) даже при комнатной температуре.

Возможный подход к устранению литиевого покрытия в элементах HE заключается в дальнейшем повышении температуры зарядки. Как показано в приложении SI , рис. S2, увеличение с 25 ° C до 45 ° C увеличивает кинетику интеркаляции лития на 5,6 раза, коэффициент диффузии лития в графите на 2,4 раза и проводимость электролита на 1,4 раза, и, следовательно, может способствовать снижению содержания лития. покрытие. SI Приложение , рис. S13 показывает прогнозируемый моделью LDP ячейки HE, имеющей 1,65-кратную емкость площади и толщину ячейки PHEV в этой работе.Следует отметить, что максимальный ток заряда при 25 ° C без литиевого покрытия падает с 4 ° C для элемента PHEV ( SI Приложение , рис. S3 C ) до ∼1,5 C для элемента HE ( SI Приложение , рис. S13 A ) из-за увеличенной толщины электрода. Если заряжать элемент при 45 ° C, максимальная скорость заряда HE-элемента может быть увеличена до 3 C. Действительно, недавние исследования показали, что элементы с толстыми электродами имеют более длительный срок службы при 40-45 ° C, чем при температуре от 40 ° C до 45 ° C. комнатная температура.Группа Йоссена (31) сообщила, что ячейка графит / LiCoO ₂ с анодом толщиной 77 мкм (1,6 × настоящей работы) потеряла 30% емкости за 250 циклов с зарядкой 1 ° C при 25 ° C, но только Емкость 5% после 400 циклов при 40 ° C. Аналогичным образом группа Винтера (32) обнаружила, что срок службы элемента из графита / NMC532 с анодом толщиной 77 мкм увеличился с 400 циклов при 20 ° C до 1100 циклов при 45 ° C при сохранении емкости 70%. Совсем недавно исследователи из Samsung (20) разработали элемент HE с возможностью зарядки 5 ° C при 60 ° C.

Рис. 5 C сравнивает скорость старения вышеупомянутых клеток HE с клетками PHEV в этой работе. Также добавляется скорость старения ячейки PHEV при 45 ° C. Как сообщается в литературе (33), старение клеток является комбинированным эффектом роста SEI и литиевого покрытия. Для элемента PHEV 25 ° C достаточно высока, чтобы предотвратить образование лития при скорости заряда 3,5 C ( SI Приложение , рис. S3). Дальнейшее повышение температуры до 45 ° C привело к сокращению срока службы до 613 EFC при сохранении емкости 80% из-за более быстрого роста SEI.Для клеток HE, однако, полезно работать при температуре от ~ 40 ° C до 45 ° C из-за уменьшения литиевого покрытия, которое превосходит негативные последствия более быстрого роста SEI. Следовательно, работа при более высоких температурах может быть многообещающим подходом для увеличения срока службы клеток HE. В этом отношении нагрев будет важным шагом для зарядки элементов HE. Учитывая изначально низкую скорость внешнего нагрева, нынешний элемент LPF имеет большие перспективы для электромобилей следующего поколения, поскольку он может практически мгновенно модулировать внутреннюю температуру элемента по запросу.

В широком смысле научное достоинство описанного здесь элемента LPF состоит в том, что он предлагает общее решение для разделения кинетики заряда и разряда в науке об аккумуляторах и для ускорения зарядки аккумулятора без необходимости использования новых материалов или химического состава. Он также предлагает платформу для материаловедов для разработки более совершенных материалов для аккумуляторов без учета температуры. Что касается приложений, настоящая работа навсегда устраняет давние ограничения температуры окружающей среды на зарядку аккумулятора, позволяя использовать широкий спектр новой электроники и устройств, таких как всепогодные смартфоны, наружные роботы, дроны и микроспутники, работающие на больших высотах, а также новые приложения, такие как спасение машин, застрявших в снегу, и исследования в космосе и Арктике.

Методы и материалы

Пакеты для LPF емкостью 9,5 Ач были изготовлены с использованием NMC622 в качестве катода, графита в качестве анода и 1 M LiPF ₆ , растворенного в этиленкарбонате (EC) / этилметилкарбонате (EMC) (3: 7). по массе) + 2 мас.% виниленкарбоната (ВК) в качестве электролита. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см ² и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Каждая ячейка LPF имеет два куска никелевой фольги, встроенных внутрь, как показано в приложении SI , рис.S4. Каждая Ni-фольга толщиной 30 мкм и сопротивлением 80,2 мОм при 25 ° C покрыта тонким (28 мкм) полиэтилентерефталатом для электрической изоляции и зажата между двумя односторонними анодными слоями. Две трехслойные сборки уложены друг на друга внутри ячейки и соединены параллельно, причем одна сборка расположена на 1/4 толщины ячейки, а другая — на 3/4 толщины ячейки от верхней поверхности ячейки. Более подробную информацию о материалах, изготовлении, структуре и испытаниях ячеек можно найти в приложении SI , Методы и материалы .

Благодарности

Финансовая поддержка Департамента охраны окружающей среды Пенсильвании; EC Power, LLC; и Министерство энергетики США присуждено награду DE-EE0006425. Мы также благодарны EC Power за предложение программного обеспечения AutoLion, которое было приобретено Gamma Technologies.

Сноски

• Авторы: X.-G.Y., G.Z., and C.-Y.W. спланированное исследование; X.-G.Y., G.Z. и S.G. проводили исследования; X.