1. 2. Зарядка без-кобальтових літій-іонних акумуляторів
2. 3. Перезаряд літій-іонних акумуляторів
3. 4. Підсумки
4. 5. Рекомендації по зарядці літій-іонних акумуляторів

Опубліковано 09.05.2016 14:27 Автор: Abramova Olesya

Зарядні і розрядні процеси в електричних батареях є хімічними реакціями, але літій-іонна система має свої нюанси. Вчені говорять про рух енергії в батареї як про частину іонного потоку між анодом і катодом. Це твердження в якійсь мірі вірно, але якщо вчені були б абсолютно праві, то електричні батареї працювали вічно. Падіння ємності з часом пояснюється втратою іонів, але і процеси внутрішньої корозії укупі з іншими дегенеративними ефектами також відіграють певну роль. (Дивіться BU-808: У чому причина кінцевого часу роботи літій-іонних акумуляторів).

Зарядний пристрій для літій-іонною електрохімічної системи являє собою обмежене по напрузі пристрій, досить схоже на зарядний для свинцево-кислотних акумуляторів. Але є і відмінності - більш висока напруга на елемент, більш жорсткі допуски напруги і відсутність режиму підтримки при повному заряді. У той час як свинцево-кислотна електрохімічна система має деяку гнучкість порогових значень напруги, літій-іонна вимагає дуже суворої настройки зарядних пристроїв, так як перезарядка не може бути прийнятий. Не може бути створено якесь «чудо» зарядний пристрій, здатний продовжити термін служби або надати додаткову ємність шляхом імпульсного струму або інших хитрощів. Літій-іонна є "чистою" системою і приймає рівно той заряд, який вона може акумулювати.

Літій-іонні акумулятори з такими традиційними катодними матеріалами як кобальт, нікель, марганець і алюміній зазвичай мають напругу 4,20 В на елемент. Допустимим відхиленням є +/- 50 мВ на елемент. Деякі версії на основі нікелю заряджаються до 4,10 В на елемент; існують і спеціально оптимізовані під ємність моделі з напругою 4,30 В і вище на елемент. Підвищення напруги допомагає збільшити ємність акумулятора, але зловживання шляхом перевищення значень специфікацій може пошкодити акумулятор і навіть створити загрозу безпеці. Вбудована в акумулятор схема захисту [BU-304] захищає його від перевищення заданого напруги.

На малюнку 1 показані графіки струму і напруги літій-іонного акумулятора щодо етапів зарядки. Повний заряд досягається, коли струм зменшується до показника 3-5 відсотків від значення номінальної ємності.

Малюнок 1: Етапи зарядки літій-іонного акумулятора. Li-ion вважається повністю зарядженим, коли зарядний струм падає до заданого рівня. Замість режиму безперервної підтримки заряду, деякі зарядні пристрої використовують підзарядку тільки при падінні напруги акумулятора.

Рекомендована швидкість зарядки літій-іонних елементів, оптимізованих під ємність, становить 0,5-1С, повне час заряду при такій швидкості складе 2-3 години. Виробники рекомендують використовувати швидкість зарядки 0,8 с і менше для продовження терміну служби акумулятора. Елементи ж, оптимізовані під показники потужності, можуть використовувати більш "швидке" зарядний пристрій. Ефективність зарядки літій-іонної електрохімічної системи становить близько 99 відсотків, завдяки цьому відсутній тепловиділення і акумулятор залишається прохолодним.

Деякі акумулятори все ж можуть трохи нагрітися (приблизно на 5 ° С) при досягненні повного заряду. Це може бути викликано роботою схеми захисту і / або підвищеним внутрішнім опором. Якщо ж температура акумулятора підвищилася більш ніж на 10 ° С при помірних швидкостях зарядки, це може говорити про його несправність, отже, необхідно припинити подальшу зарядку і експлуатацію.

Повна зарядка фіксується при досягненні акумулятором порогового значення напруги і падінням зарядного струму до 3 відсотків від номінального значення. Також акумулятор вважається зарядженим, якщо напруга і струм досягли деякого значення і не можуть більше наблизитися до своїх пороговим значенням. Причиною такої поведінки може служити підвищений саморозряд [BU-802b].

Збільшення струму зарядки, як не дивно, не прискорить процес досягнення повного заряду. Хоча акумулятор і швидше досягне пікового значення напруги, йому все ще буде необхідний режим насичення, який в нашому випадку займе більше часу. Зменшення часу першого етапу зарядки компенсується збільшенням часу другого. Високий струм зарядки, тим не менш, досить швидко заповнить акумулятор енергією приблизно до 70 відсотків.

Літій-іонного акумулятора не потрібно повна зарядка, як у випадку зі свинцево-кислотних, навіть навпаки - легкий недозаряд забезпечить кращі показники довговічності. Справа в тому, що при повному заряді в акумуляторі виникає досить висока напруга, яке носить деградаційний характер. Обмеження напруги або усунення режиму насичення продовжить термін служби акумулятора, але, з іншого боку, призведе до зменшення часу автономної роботи. Більшість зарядних пристроїв оптимізовані саме під ємність, тривалість терміну служби сприймається менш важливою.

Деякі недорогі зарядні пристрої взагалі можуть ігнорувати режим насичення, використовуючи більш спрощений метод зарядки, який триває одну годину або навіть менше. Така зарядка фіксує своє закінчення досягненням акумулятором певного значення напруги. Остаточний рівень заряду при такому методі складає приблизно 85 відсотків від номінальної ємності, що для більшості споживачів є достатнім рівнем.

Промислові ж зарядні пристрої часто використовують кілька занижене значення порогового напруги для продовження терміну служби акумулятора. У таблиці 2 наведені розрахункові значення ємності при зарядці до різних порогових значень напруги з і без використання режиму насичення. (Дивіться також BU-808: Як збільшити термін служби літій-іонного акумулятора).

Напруга відсічення / на елемент Можлива ємність Час зарядки Ємність з режимом насичення 3,80 60% 120 хвилин ~ 65% 3,90 70% 135 хвилин ~ 75% 4,00 75% 150 хвилин ~ 80% 4,10 80% 165 хвилин ~ 90% 4,20 85% 180 хвилин 100%

Таблиця 2: Стандартні зарядні характеристики літій-іонних акумуляторів. Застосування режиму повного насичення при заданому напрузі відсічення призводить до підвищення ємності приблизно на 10 відсотків, але призводить до стресу через високої напруги.

На самому початку зарядного процесу напруга акумулятора дуже швидко піднімається. Такій поведінці можна привести аналогію - підйом вантажу гумкою, коли в перший момент гумка натягується, а вантаж все ще на своєму місці. Показник використання ємності протягом процесу зарядки стабілізується щодо напруги акумулятора (рисунок 3). Такий ефект характерний для всіх електричних батарей. Чим вище струм зарядки, тим ефект "гумки" буде яскравіше виражений. Холодна температура зарядки або високе внутрішнє опір елемента можуть посилити прояв цього ефекту.

Малюнок 3: Залежність напруги і ємності літій-іонного акумулятора від часу зарядки. Ефект залежності ємності від напруги при зарядці схожий на ефект підйому вантажу розтягується гумкою.

Оцінка стану заряду шляхом зчитування напруги акумуляторної батареї непрактична, набагато більш точним індикатором служить напруга розімкнутого ланцюга акумулятора після декількох годин спокою. На навіть напруга розімкнутого ланцюга не є 100-процентним показником, так як воно залежно від температури. Рівень заряду смартфонів, ноутбуків і інших пристроїв оцінюється за допомогою кулонівського підрахунку. (Дивіться BU-903: Як виміряти ступінь зарядженості електричної батареї ).

Літій-іонний акумулятор не може поглинути перезаряд. При досягненні повної ступеня заряду необхідно відсікти зарядний струм. Додаток безперервного струму підтримки заряду може привести до металізації літію, що може спричинити проблеми з безпекою акумулятора. Щоб звести до мінімуму стрес, бажано не залишати заряджений літій-іонний акумулятор з'єднаним із зарядним пристроєм.

Після того, як процес зарядки закінчився, напруга акумулятора починає падати. Згодом, напруга холостого ходу стабілізується на рівні 3,70-3,90 В на елемент. Варто звернути увагу, що літій-іонний акумулятор, до якого застосовувалася зарядка в режимі насичення, буде тримати напругу високим більш тривалий час, ніж той, до якого цей режим не застосовувався.

Коли виникає необхідність зберігання літій-іонних акумуляторів підключеними до зарядного пристрою, деякі з них можуть мати функцію крапельного підтримки заряду, покликаного компенсувати невеликий саморазряд самого акумулятора і споживання енергії вбудованою схемою захисту. Таке зарядний пристрій спрацьовує при зниженні напруги акумулятора до 4,05 В на елемент і заряджає його знову до значення 4,20 В. Існує й інший режим зарядки, зі спрацьовуванням при напрузі 4,00 В на елемент і підзарядкою до 4,05 В. Використання такого режиму несе менше шкоди від акумуляторної батареї та продовжує термін його служби.

Деякі портативні пристрої можуть залишатися включеними або навіть експлуатуватися під час зарядки. Споживання енергії пристроєм в цьому випадку називається паразитного навантаженням і може викликати спотворення циклів зарядки. Виробники акумуляторів радять уникати паразитних навантажень, так як вони призводять до виникнення множинних міні-циклів заряду / розряду. Цього не завжди можна уникнути, наприклад, часто виникає необхідність експлуатації того ж ноутбука від електромережі. Виникає ситуація, коли акумулятор заряджається до 4,20 В на елемент і тут же піддається розряду. Рівень стресового впливу на такий акумулятор досить високий, оскільки цикли виникають при високій напрузі, а часто - і при підвищеній температурі.

Портативний пристрій має бути відключено при зарядці. Це дозволить акумулятора безперешкодно досягти порогового значення напруги і точки насичення. Паразитна навантаження збиває з пантелику зарядний пристрій, впливаючи на напругу акумулятора і перешкоджаючи току насичення, можливі навіть ситуації, коли акумулятор вже повністю заряджений, але через вплив паразитної навантаження зарядний пристрій продовжує зарядку, що звичайно ж призводить до пошкодження акумулятора.

2. Зарядка без-кобальтових літій-іонних акумуляторів

У той час як традиційні літій-іонні акумулятори мають номінальну напругу елемента 3,60 В, літій-фосфатні (LiFePO) є винятком з напругою елемента 3,20 В і напругою зарядки 3,65 В. Щодо новою технологією є літій-тітанатние моделі з напругою елемента 2,40 В і напругою зарядки 2,85 В. (Дивіться BU-205: Види літій-іонних акумуляторів ).

Зарядні пристрої для цих безкобальтовим акумуляторів несумісні зі звичайними 3,60-вольтовими. Необхідно передбачати технологію виготовлення акумулятора і забезпечити його правильним зарядним напругою. 3,60 В літій-іонний акумулятор, підключений до зарядного пристрою, призначеного для літій-фосфатної системи, просто не отримає достатньої заряду, і, навпаки, вплив підвищеного зарядного напруги на літій-фосфатний акумулятор призведе до його пошкодження.

3. Перезаряд літій-іонних акумуляторів

Літій-іонні акумулятори цілком безпечні в межах певного робочої напруги, але якщо по необережності перевищити напруга, це може привести до нестійкості акумулятора. Тривала зарядка напругою вище 4,30 В акумулятора, розрахованого на напругу 4,20 В, може привести до металізації літію на аноді. На катоді починають відбуватися окислювальні процеси, він стає нестабільним і виділяє вуглекислий газ (CO2). Тиск в елементі зростає, і якщо зарядка триватиме, може спрацювати пристрій переривання струму, яке відповідальне за безпеку при підвищенні внутрішнього тиску елемента до 1,000-1,380 кПа. Якщо з якихось причин тиск продовжує зростати далі, то при значенні в 3,450 кПа може розкритися мембрана безпеки. У будь-якому випадку, такі екстремальні значення тиску небезпечні, і можуть стати причиною пожежі або навіть вибуху акумуляторів. (Дивіться BU-304b: Забезпечення безпеки літій-іонних акумуляторів ).

Тепловий пробій, який і призводить до займання або вибуху, безпосередньо залежний від високої температури. Повністю зарядженого акумулятора потрібна менша температурний вплив для колапсу в порівнянні з частково зарядженим. Всі акумулятори на основі літію є більш безпечними при низькому рівні заряду, тому повністю заряджені акумулятори навіть заборонено перевозити повітряним транспортом (регламентований рівень заряду становить 30 відсотків). (Дивіться BU-704a: Перевезення акумуляторів на основі літію повітряним транспортом).

Порогової температурою для повністю зарядженого літій-кобальтового акумулятора є 130-150 ° С, для літій-нікель-марганець-кобальтового (NMC) - 170-180 ° С, а для літій-марганцевого - близько 250 ° С. Літій-фосфатний володіє температурною стабільністю, навіть трохи кращою, ніж у літій-марганцевого. (Дивіться BU-304a: Аспекти безпеки літій-іонних акумуляторів і BU-304b: Забезпечення безпеки літій-іонних акумуляторів ).

Не тільки літій-іонна електрохімічна система небезпечна при перезаряді. Акумулятори на основі свинцю та нікелю також можуть розплавитися і спричинити пожежу при неправильній експлуатації. Правильно спроектоване зарядний обладнання має першочергове значення для всіх акумуляторних систем. Наявність функції контролю температури допоможе уникнути багатьох проблем.

4. Підсумки

Зарядка літій-іонних акумуляторів набагато простіше зарядки акумуляторів на основі нікелю. Немає необхідності в складному аналізі залежних від віку акумулятора змін напруги для визначення повного заряду. Процес зарядки може бути переривчастим, немає потреби в режимі насичення, як у випадку зі свинцево-кислотними акумуляторами. Ці нюанси дають велику перевагу для використання в сфері поновлюваних джерел енергії, таких як сонячні панелі і вітряні турбіни, які не завжди можуть повністю зарядити акумулятор. Відсутність необхідності в режимі підтримки заряду значно спрощує і здешевлює зарядний пристрій. Зрівняльний заряд, який потрібно для обслуговування тих же свинцево-кислотних акумуляторів, не є необхідним для літій-іонних.

5. Рекомендації по зарядці літій-іонних акумуляторів

• Вимкніть яка заряджається пристрій або окремо заряджайте його акумулятор, щоб дозволити зарядного струму безперешкодно досягти значення режиму насичення. Паразитна навантаження збиває з пантелику зарядний пристрій.

• Заряджайте при помірній температурі. Не заряджайте літій-іонний акумулятор при температурі нижче 0 ° С (Дивіться BU-410: Зарядка акумулятора в оточенні високих і низьких температурах ).

• Літій-іонною електрохімічної системі не обов'язковий повний заряд, частковий навіть краще, так як збільшує термін служби акумулятора.

• Не всі зарядні пристрої мають функцію крапельної підзарядки, отже, на всі 100 відсотків акумулятор при їх допомоги зарядитися не зможе.

• Слід припинити зарядку при виявленні зайвого тепловиділення акумулятора.

• Перед тривалим зберіганням акумулятора зарядіть його до 40-50 відсотків. (Дивіться BU-702: Як правильно зберігати електричні батареї ).

Останнє оновлення 2016-02-23