Заряд Li-ion акумуляторів

 

Li-ion акумулятори заряджаються в комбінованому режимі: спочатку при постійному струмі (в діапазоні від 0,2 до 1 С) до напруги 4,1-4,2 (в залежності від рекомендацій виробника), далі при постійній напрузі. Перша стадія заряду може тривати близько 40 хв, друга стадія довше. Більш швидкий заряд може бути досягнутий при імпульсному режимі.

В початковий період, коли тільки з’явилися Li-ion акумуляторні батареї, що використовують графітову систему, потрібно було обмеження напруги заряду з розрахунку 4,1 на елемент. Хоча використання більш високої напруги дозволяє підвищити енергетичну щільність, окислювальні реакції, що відбувалися в елементах такого типу при напругах, що перевищують поріг 4,1, приводили до скорочення їх терміну служби. З часом цей недолік ліквідували за рахунок застосування хімічних добавок, і в даний час Li-ion елементи можна заряджати до напруги 4,20 Ст. Допустиме відхилення напруги становить лише близько ±0,05 В на елемент.

Li-ion акумуляторні батареї промислового та військового призначення повинні мати більший термін служби, ніж батареї для комерційного використання. Тому для них порогове напруга кінця заряду становить 3,90 В на елемент. Хоча енергетична щільність (квтг/кг) у таких батарей нижче, підвищений термін служби при невеликих розмірах, малій вазі і більш висока у порівнянні з батареями інших типів енергетична щільність ставлять Li-ion батареї поза конкуренцією.

При заряді Li-ion акумуляторних батарей струмом 1С час заряду становить 2-3 ч. Li-ion батарея досягає стану повного заряду, коли напруга на ній стає рівним напрузі відсічення, а струм при цьому значно зменшується і становить приблизно 3% від початкового струму заряду (рис. 4).

Рис.4. Залежність напруги і струму від часу при заряді літій-іонного (Li-ion) акумулятор

Якщо на рис. 4 зображено типовий графік заряду одного з типів Li-ion акумуляторів, то на рис. 5 процес заряду показаний більш наочно. При підвищенні струму заряду Li-ion батареї час заряду скільки-небудь значуще не скорочується. Хоча при більш високому струмі заряду напруга на батареї наростає швидше, етап підзарядки після завершення першого етапу циклу заряду триває довше.

Етап струменевої підзарядки для Li-ion акумуляторів непридатний через те, що вони не можуть поглинати енергію при перезарядці. Більш того, струмова підзарядка може викликати металізацію літію, яка робить роботу акумулятора нестабільною. Навпаки, коротка підзарядка постійним струмом здатна компенсувати невелике саморозряд Li-ion батареї і компенсувати втрати енергії, викликані роботою її пристрою захисту. В залежності від типу зарядного пристрою і ступеня саморозряду Li-ion батареї така підзарядка може виконуватися через кожні 500 год., або 20 днів. Зазвичай її слід здійснювати при зниженні напруги холостого ходу до 4,05 В/елемент і припиняти, коли воно досягне 4,20 В/елемент.

Отже, Li-ion акумулятори мають низьку стійкість до перезаряду. На негативному електроді на поверхні вуглецевої матриці при значному перезаряд стає можливим осадження металевого літію (у вигляді дрібно роздробленого мшистого осаду), що володіє великою реакційною здатністю до електроліту, а на катоді починається активне виділення кисню. Виникає загроза теплового розгону, підвищення тиску і розгерметизації. Тому заряд Li-ion акумуляторів можна вести тільки до напруги, рекомендованого виробником. При збільшеному зарядній напрузі ресурс акумуляторів знижується.

Безпечній роботі Li-ion акумуляторних батарей повинна приділятися серйозна увага. В Li-ion батареї комерційного призначення є спеціальні пристрої захисту, що запобігають перевищення напруги заряду вище певного порогового значення. Додатковий елемент захисту забезпечує завершення заряду, якщо температура батареї досягне 90 °С. Найбільш досконалі по конструкції батареї мають ще один елемент захисту — механічний вимикач, який спрацьовує при збільшенні внутрикорпусного тиску батареї. Вбудована система контролю напруги налаштована на два напруги відсічки — верхнє і нижнє .

Є й винятки — Li-ion акумуляторні батареї, в яких пристрою захисту взагалі відсутні. Це акумуляторні батареї, до складу яких входить марганець. Завдяки його наявності, при перезаряді реакції металізації анода і виділення кисню на катоді відбуваються настільки повільно, що стало можливим відмовитися від застосування пристроїв захисту.

Збереження Li-ion акумуляторів. Всі літієві акумулятори характеризуються досить гарною схоронністю. Втрата ємності за рахунок саморозряду 5-10 % на рік.

Наведені показники слід розглядати як деякі номінальні орієнтири. Для кожного конкретного акумулятора, наприклад, розрядне напруга залежить від струму розряду, рівня розрядженості, температури; ресурс залежить від режимів (струмів) розряду і заряду, температури, глибини розряду; діапазон робочих температур залежить від рівня виробітку ресурсу, допустимих робочих напруг і т. д.

До недоліків Li-ion акумуляторів слід віднести чутливість до перезарядам і переразрядам, через це вони повинні мати обмежувачі заряду і розряду.

Типовий вид розрядних характеристик Li-ion акумуляторів зображено на рис. 6 і 7. З малюнків видно, що із зростанням струму розряду розрядна ємність акумулятора знижується незначно, але зменшується робоча напруга. Такий же ефект з’являється при розряді при температурі нижче 10 °С. Крім цього, при низьких температурах має місце початкова просадка напруги.

Рис.6. Розрядні характеристики Li-ion акумулятора при різних струмах

Рис.7. Розрядні характеристики Li-ion акумулятора при різній температурі

Що стосується експлуатації Li-ion акумуляторів взагалі, то, враховуючи всі конструктивні та хімічні способи захисту акумуляторів від перегріву і вже усталене уявлення про потреби зовнішньої електронної захисту акумуляторів від перезаряду і перерозряду, можна вважати проблему безпеки експлуатації Li-ion акумуляторів вирішеною. А нові катодні матеріали часто забезпечують ще більшу термічну стабільність Li-ion акумуляторів.

Безпека Li-ion акумуляторів. При розробці літієвих і літій-іонних акумуляторів, як і при розробці первинних літієвих елементів, питань безпеки зберігання та використання приділялася особлива увага. Всі акумулятори мають захист від внутрішніх коротких замикань (а в окремих випадках — і від зовнішніх коротких замикань). Ефективним способом такого захисту є застосування двошарового сепаратора, один з шарів якого не виготовляється з поліпропілену, а з матеріалу, аналогічного поліетилену. У випадку короткого замикання (наприклад, через проростання дендритів літію до позитивного електрода) за рахунок локального розігріву цей шар сепаратора подплавляется і стає непроникним, запобігаючи, таким чином, подальше проростання дендритів.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: