Заряджання та розряджання літій-іонних акумуляторів

Заряджання та розряджання акумуляторів – це хімічна реакція, але літій-іонні, як стверджується, є винятком. Вчені, що спеціалізуються на акумуляторах, говорять про енергію, яка входить і виходить з акумулятора, як частину руху іонів між анодом і катодом. Це твердження має сенс, але якби вчені були повністю праві, то акумулятор жив би вічно. Вони звинувачують у зниженні ємності іони, що потрапляють у пастку, але, як і у всіх акумуляторних системах, внутрішня корозія та інші дегенеративні ефекти, також відомі як паразитичні реакції на електроліті та електродах, все ще відіграють певну роль.

Літій-іонний зарядний пристрій

Літій-іонний зарядний пристрій – це пристрій, що обмежує напругу, схожий на свинцево-кислотну систему. Відмінності від літій-іонних акумуляторів полягають у вищій напрузі на елемент, жорсткіших допусках напруги та відсутності підзарядки або підзарядки при повному заряді. Хоча свинцево-кислотні акумулятори пропонують певну гнучкість щодо відключення напруги, виробники літій-іонних елементів дуже суворо ставляться до правильного налаштування, оскільки літій-іонні акумулятори не можуть терпіти перезаряджання. Так званого диво-зарядного пристрою, який обіцяє подовжити термін служби акумулятора та отримати додаткову ємність за допомогою імпульсів та інших хитрощів, не існує. Літій-іонні акумулятори – це «чиста» система, яка приймає лише те, що може поглинути.

Зарядні пристрої Victron Energy

Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи

Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

 Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.

Купити

Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15

Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.

Купити

Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.

Купити

Подивитися більше

Заряджання літій-іонних акумуляторів зі змішаним кобальтом

Літій-іонні акумулятори з традиційними катодними матеріалами з кобальту, нікелю, марганцю та алюмінію зазвичай заряджаються до 4,20 В/елемент. Допуск становить +/-50 мВ/елемент. Деякі нікелеві різновиди заряджаються до 4,10 В/елемент; літій-іонні акумулятори високої ємності можуть заряджатися до 4,30 В/елемент і вище. Підвищення напруги збільшує ємність, але перевищення специфікації навантажує акумулятор і ставить під загрозу безпеку. Захисні схеми, вбудовані в акумулятор, не дозволяють перевищити встановлену напругу.

На рисунку 1 показано характеристики напруги та струму, коли літій-іонний акумулятор проходить стадії постійного струму та повного заряду. Повний заряд досягається, коли струм зменшується до 3-5 відсотків від номінальної ємності в Аг.

Рисунок 1: Етапи заряджання літій-іонного акумулятора 

Літій-іонний акумулятор повністю заряджається, коли сила струму падає до встановленого рівня. Замість підзарядки деякі зарядні пристрої застосовують додаткову зарядку, коли напруга падає.

Рекомендована швидкість заряджання енергетичного елемента становить від 0,5°C до 1°C; повний час заряджання становить приблизно 2–3 години. Виробники цих елементів рекомендують заряджати при 0,8°C або менше для подовження терміну служби акумулятора; однак більшість енергетичних елементів можуть витримувати вищий рівень заряджання (C) з невеликим навантаженням. Ефективність заряджання становить близько 99 відсотків, а елемент залишається холодним під час заряджання.

Деякі літій-іонні акумулятори можуть нагріватися приблизно на 5ºC (9ºF) після досягнення повного заряду. Це може бути пов'язано зі схемою захисту та/або підвищеним внутрішнім опором. Припиніть використання акумулятора або зарядного пристрою, якщо температура підвищується більше ніж на 10ºC (18ºF) за середньої швидкості заряджання.

Повний заряд відбувається, коли акумулятор досягає порогового значення напруги, а струм падає до 3 відсотків від номінального струму. Акумулятор також вважається повністю зарядженим, якщо струм стабілізується і не може знижуватися далі. Причиною цього може бути підвищений саморозряд.

Збільшення струму заряду не значно пришвидшує стан повного заряду. Хоча акумулятор швидше досягає піку напруги, заряд насичення відповідно триватиме довше. При вищому струмі етап 1 коротший, але насичення під час етапу 2 триватиме довше. Однак зарядка високим струмом швидко наповнить акумулятор приблизно до 70 відсотків.

Літій-іонні акумулятори не потребують повної зарядки, як свинцево-кислотні, та й робити це небажано. Насправді, краще не заряджати повністю, оскільки висока напруга створює навантаження на акумулятор. Вибір нижчого порогу напруги або повне скасування заряду насичення продовжує термін служби акумулятора, але це зменшує час роботи. Зарядні пристрої для споживчих товарів мають максимальну ємність і не можуть бути налаштовані; тривалий термін служби вважається менш важливим.

Деякі дешевші споживчі зарядні пристрої можуть використовувати спрощений метод «зарядки та роботи», який заряджає літій-іонний акумулятор за одну годину або менше, не переходячи до насичувального заряду Stage 2. Напис «Ready» (Готовий) з’являється, коли акумулятор досягає порогу напруги на Stage 1. Стан заряду (SoC) на цьому етапі становить близько 85 відсотків, що може бути достатнім для багатьох користувачів.

Деякі промислові зарядні пристрої навмисно встановлюють нижчий поріг напруги заряду, щоб подовжити термін служби акумулятора. У таблиці 2 наведено приблизну ємність під час заряджання до різних порогів напруги з насичувальним зарядом та без нього

Додавання повного насичення при встановленій напрузі збільшує ємність приблизно на 10 відсотків, але додає навантаження через високу напругу.

Коли акумулятор вперше заряджають, напруга різко зростає. Цю поведінку можна порівняти з підняттям ваги гумкою, що викликає затримку. Ємність зрештою наздожене, коли акумулятор майже повністю зарядиться ( рисунок 3 ). Ця характеристика заряду типова для всіх акумуляторів. Чим вищий струм заряду, тим сильнішим буде ефект гумки. Низькі температури або заряджання елемента з високим внутрішнім опором посилюють цей ефект.

Рисунок 3: Залежність напруги/ємності від часу під час заряджання літій-іонного акумулятора

Оцінка стану заряду (SoC) шляхом зчитування напруги акумулятора, що заряджається, непрактична, вимірювання напруги холостого ходу (OCV) після того, як акумулятор простояв кілька годин, є кращим показником. Як і у випадку з усіма акумуляторами, температура впливає на OCV, так само як і активний матеріал літій-іонних акумуляторів. SoC смартфонів, ноутбуків та інших пристроїв оцінюється за допомогою кулонівського підрахунку. 

Перезарядка та безпека

Літій-іонний акумулятор не може поглинати перезаряд. Після повного заряду струм заряду необхідно припинити. Безперервний повільний заряд призведе до утворення металевого літію та погіршить безпеку. Щоб мінімізувати навантаження, тримайте літій-іонний акумулятор у зоні пікового відключення якомога коротше.

Після завершення заряджання напруга акумулятора починає падати. Це зменшує навантаження. З часом напруга холостого ходу встановлюється в межах від 3,70 В до 3,90 В/елемент. Зверніть увагу, що літій-іонний акумулятор, який отримав повністю насичений заряд, утримуватиме підвищену напругу довше, ніж той, який не отримав насичувального заряду.

Коли літій-іонні акумулятори необхідно залишити в зарядному пристрої для забезпечення робочої готовності, деякі зарядні пристрої застосовують короткочасний повний заряд, щоб компенсувати невеликий саморозряд, який споживає акумулятор та його захисна схема. Зарядний пристрій може вмикатися, коли напруга холостого ходу падає до 4,05 В/елемент, і знову вимикатися при 4,20 В/елемент. Зарядні пристрої, розроблені для роботи або режиму очікування, часто дозволяють напрузі акумулятора падати до 4,00 В/елемент і заряджатися лише до 4,05 В/елемент замість повних 4,20 В/елемент. Це зменшує навантаження, пов'язане з напругою, і подовжує термін служби акумулятора.

Деякі портативні пристрої встановлюються в зарядний пристрій у положенні «УВІМК.» Струм, що проходить через пристрій, називається паразитним навантаженням і може спотворювати цикл заряджання. Виробники акумуляторів радять уникати паразитних навантажень під час заряджання, оскільки вони викликають міні-цикли. Цього не завжди можна уникнути, і ноутбук, підключений до мережі змінного струму, є саме таким випадком. Акумулятор може заряджатися до 4,20 В/елемент, а потім розряджатися пристроєм. Рівень навантаження на акумулятор високий, оскільки цикли відбуваються на порозі високої напруги, часто також за підвищеної температури.

Портативний пристрій слід вимкнути під час заряджання. Це дозволяє акумулятору безперешкодно досягти встановленого порогу напруги та точки насичення струму. Паразитне навантаження заплутує зарядний пристрій, знижуючи напругу акумулятора та запобігаючи падінню струму в стадії насичення достатньо низько, створюючи струм витоку. Акумулятор може бути повністю заряджений, але переважаючі умови спонукатимуть до продовження заряджання, що спричинятиме навантаження.

Літій-іонні акумулятори без кобальту

У той час як традиційний літій-іонний акумулятор має номінальну напругу елемента 3,60 В, літій-фосфатний (LiFePO) становить виняток з номінальною напругою елемента 3,20 В та зарядкою до 3,65 В. Відносно новим є літій-титанатний (LTO) акумулятор з номінальною напругою елемента 2,40 В та зарядкою до 2,85 В.

Зарядні пристрої для цих літій-іонних акумуляторів без кобальтової суміші несумісні зі звичайними літій-іонними акумуляторами на 3,60 вольта. Необхідно вжити заходів для ідентифікації систем та забезпечення правильної напруги заряджання. Літій-іонний акумулятор на 3,60 вольта в зарядному пристрої, призначеному для літій-фосфатного акумулятора, не отримає достатнього заряду, літій-фосфатний акумулятор у звичайному зарядному пристрої призведе до перезаряду.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Перезарядка літій-іонного акумулятора

Літій-іонний акумулятор безпечно працює в межах зазначеної робочої напруги, однак, акумулятор стає нестабільним, якщо його випадково зарядити до напруги, вищої за зазначену. Тривала зарядка вище 4,30 В для літій-іонного акумулятора, розрахованого на 4,20 В/елемент, призведе до утворення металевого літію на аноді. Матеріал катода стає окислювачем, втрачає стабільність і утворює вуглекислий газ (CO2). Тиск у елементі підвищується, і якщо заряд продовжувати, пристрій переривання струму (CID), відповідальний за безпеку елемента, відключається при тиску 1000–1380 кПа (145–200 фунтів на квадратний дюйм). Якщо тиск підвищується далі, захисна мембрана на деяких літій-іонних акумуляторах розривається при тиску близько 3450 кПа (500 фунтів на квадратний дюйм), і елемент може зрештою вибухнути полум'ям.

Випуск газу за допомогою полум'я пов'язаний з підвищеною температурою. Повністю заряджений акумулятор має нижчу температуру теплового виходу та випускає газ швидше, ніж частково заряджений. Усі літієві акумулятори безпечніші при меншому заряді, і саме тому влада зобов'язує перевозити повітряним транспортом літій-іонні акумулятори з 30-відсотковим рівнем заряду, а не з повним зарядом. 

Поріг для літій-кобальтового акумулятора при повному заряді становить 130–150ºC (266–302ºF); для нікель-марганцево-кобальтового (NMC) акумулятора — 170–180ºC (338–356ºF), а для літій-марганцевого — близько 250ºC (482ºF). Літій-фосфат має подібну та кращу температурну стабільність, ніж марганець. 

Літій-іонний акумулятор — не єдиний, який становить загрозу безпеці у разі перезаряджання. Також відомо, що свинцеві та нікелеві акумулятори плавляться та спричиняють пожежу за неправильного поводження. Правильно розроблене зарядне обладнання має першорядне значення для всіх акумуляторних систем, а датчик температури — це надійний вартовий.

Короткий зміст

Заряджання літій-іонних акумуляторів простіше, ніж нікелевих. Схема заряджання проста, обмеження напруги та струму легше врахувати, ніж аналізувати складні сигнатури напруги, які змінюються з віком акумулятора. Процес заряджання може бути переривчастим, а літій-іонні акумулятори не потребують насичення, як у випадку зі свинцево-кислотними. Це дає значну перевагу для відновлюваних накопичувачів енергії, таких як сонячні панелі та вітрові турбіни, які не завжди можуть повністю зарядити акумулятор. Відсутність поступового заряджання ще більше спрощує зарядний пристрій. Вирівнювальний зарядний пристрій, як це потрібно для свинцево-кислотних акумуляторів, не потрібен для літій-іонних акумуляторів.

Споживчі та більшість промислових зарядних пристроїв для літій-іонних акумуляторів повністю заряджають його. Вони не пропонують регульованої кінцевої напруги заряду, яка б подовжила термін служби літій-іонних акумуляторів, знижуючи кінцеву напругу заряду та приймаючи коротший час роботи. Виробники пристроїв побоюються, що така опція ускладнить роботу зарядного пристрою. Винятком є ​​електромобілі та супутники , які уникають повного заряду, щоб досягти тривалого терміну служби.