Как тренировать литий ионный аккумулятор

Li-ion аккумуляторы. Способы увеличения их эффективности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Грызункин Семен Сергеевич, Прокопчук Игорь Сергеевич

Li-ion аккумуляторы являются самым популярным типом аккумуляторных батарей на данный момент. Они имеют свои преимущества, но также не лишены недостатков. Различные факторы влияют на их работу. В данной работе описываются преимущества и недостатки Li-ion аккумуляторов , способы продления их срока службы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Грызункин Семен Сергеевич, Прокопчук Игорь Сергеевич

Аккумуляторные батареи носимых электронных устройств
Опыт создания батарей на базе литий-ионных аккумуляторов большой ёмкости

Ограничение сроков службы химических источников тока транспортных средств и возможности их восстановления

Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами

Универсальное зарядное устройство для Li-ion аккумуляторов
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Li-ion аккумуляторы. Способы увеличения их эффективности»

LI-ION АККУМУЛЯТОРЫ. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ

1 2 Грызункин С.С. , Прокопчук И.С.

1Грызункин Семен Сергеевич — студент;

2Прокопчук Игорь Сергеевич — студент, кафедра теплоэнергетики железнодорожного транспорта,

Российский университет транспорта, г. Москва

Аннотация: Li-ion аккумуляторы являются самым популярным типом аккумуляторных батарей на данный момент. Они имеют свои преимущества, но также не лишены недостатков. Различные факторы влияют на их работу. В данной работе описываются преимущества и недостатки Li-ion аккумуляторов, способы продления их срока службы. Ключевые слова: Li-ion аккумулятор, ёмкость аккумулятора, энергоэффективность.

Li-ion аккумулятор — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике, а так же используется в качестве источника энергии для электромобилей. Данный вид аккумуляторов является самым популярным на данный момент [1].

Материалы и конструкция Li-ion аккумуляторов.

В качестве основы для данных аккумуляторов служит матрица из углерода. Эта матрица может изготавливаться из природного или синтетического графита, сажи, пиролизного или мезофазного углерода, кокса и т.д. Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и распологаются между ними. Положительные электроды Li-ion аккумуляторов изготавливаются из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

Литий-ионные аккумуляторы изготавливаются в двух форм факторах: плоском и цилиндрическом. В цилиндрическом варианте изготовления пакет электродов и сепаратора свёрнут в виде рулона и помещён в алюминиевый или стальной корпус. С данным корпусом соединён отрицательный электрод. Через изоляцию на крышку аккумулятора выведен положительный полюс.

Плоский тип аккумуляторов производится складыванием в прямоугольник пластин друг на друга. Эти пластины обеспечивают более плотную упаковку в плоском аккумуляторе, чем в цилиндрическом, но в них сложнее сохранять сжимающие усилия на электроды. В некоторых плоских Li-ion аккумуляторах применяется рулонная сборка пакетов электродов, которые скручиваются в спираль. Это способствует объединению двух описанных выше типов конструкций.

Разноимённые электроды разделяются сепаратором из пористого полипропилена. Конструкция аккумуляторов имеет абсолютную герметичность. Это нужно для того, чтобы избежать вытекания жидкого электролита и попадания в Li-ion аккумулятор паров воды и кислорода из окружающей среды. Кислород и пары воды полностью выводят из строя аккумулятор [2].

Преимущества и недостатки.

Литий-ионные аккумуляторы имеют несколько преимуществ: большой срок службы при малых габаритах и весе, а также более высокая по сравнению с другим типом батарей энергетическая плотность. Li-ion батареи принимают более высокий ток зарядки и разрядки. В следствие чего зарядка занимает меньшее время, проходит более эффективно (полезно при рекуперации энергии во время движения).

Но не стоит забывать про недостатки: возможность перегрева (сокращает срок службы и может привести к пожару).

Очень важной характеристикой является количество циклов заряда и разряда аккумуляторов. Под «количеством циклов» имеется ввиду количество, через которое ёмкость аккумуляторной батареи падает ниже 80% от первоначального значения. Затем Li-ion аккумулятор не приходит в негодность, но значения максимального тока и ёмкости у него падают.

Токоотдачу, а также ток заряда принято обозначать буквой «С» — ёмкость аккумулятора.

Количество циклов обычно указывается для определённых условий: ток разряда 0,2С, ток заряда 0,2C, комнатная температура. Если аккумуляторная батарея используется при токах 1С и выше, либо при отличной от комнатной температуре, то количество циклов будет ниже заявленного числа.

Li-ion аккумуляторы имеют саморазряд. Это значит, что при хранении они теряют свой заряд с небольшой скоростью. Оптимальными условиями для хранения являются: температура 0 градусов Цельсия и уровень заряда в районе 40%.

Из-за этого с производства аккумуляторы выходят заряженными на 40%, а напряжение аккумуляторов без нагрузки в таком состоянии находятся на уровне 4В.

Данные аккумуляторы стареют, даже если их не использовать. Через 2 года хранения аккумуляторная батарея теряет около 20% своей ёмкости. Следовательно, нет необходимости в покупке аккумулятора про запас.

Аккумуляторы необходимо заряжать методом CC-CV — сначала постоянны током, затем постоянным напряжением. Если на стадии заряда постоянным напряжением превысить его всего лишь на 4%, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять свою ёмкость от цикла к циклу. Из этого следует, что необходимо использовать качественные зарядные устройства, чтобы сохранить срок службы батареи.

Высокотоковые IMR аккумуляторы.

Аккумуляторы, которые могут отдавать токи 2C и выше называют «высокотоковыми». Высокотоковые IMR аккумуляторы могут отдавать большие токи при сохранении стабильного напряжения. Также эти батареи менее пожароопасны при значительном нагреве. Такие аккумуляторы имеют меньшую ёмкость и меньший ресурс, чем обычные аккумуляторы и не снабжаются защитной платой. Если сборка состоит из высокотоковых IMR аккумуляторов, то на сборку устанавливается общая плата зашиты, которая защищает аккумуляторы от глубокого разряда и перезаряда [3].

В наше время литий-ионный аккумулятор один из эффективных источников питания для бытовой электротехники. Данные аккумуляторы предлагают более перспективное будущее, поскольку обладают более высокой плотностью энергии, чем другие типы аккумуляторных батарей, но остается решить две важные проблемы: безопасность и производительность.

Безопасность является наиболее важной и серьезной проблемой. Известия о перегреваниях, возгорании и взрывах батарей смартфонах выдвинуты на первое место проблем безопасности потребителей.

Производительность батарей особенно важна для электромобилей и смартфоном, где со временем подверженные износу и погодным факторам (низкие и высокие температуры, влажность) аккумуляторы теряют свою эффективность и привлекательность для потребителей [4].

Способы «продления жизни».

С каждым зарядом литий-ионный аккумулятор изнашивается и теряет свою функцию сохранения заряда, из-за чего устройство в котором установлен аккумулятор разряжается быстрее, чем в начале эксплуатации.

Происходит это из-за деградации силовых модулей в аккумуляторе по воздействием постоянных циклов зарядки. Если говорить проще, то деградация аккумулятора происходит также, как и распространяется ржавчина на железе, то есть появляется в отдельных зонах, а затем распространяется на всю поверхность.

Для сохранения «жизни» аккумулятора достаточно придерживаться простых правил эксплуатации, что заметно продлит срок службы.

1. Не стоит разряжать аккумулятор полностью

Огромное число владельцев смартфонов и планшетов забывают следить за уровнем заряда батареи и разряжают ее до 0%. Так делать нельзя. Литий-ионные аккумуляторы по правилам эксплуатации рекомендуется заряжать чаще. Когда уровень заряда становится равным 10-20%, устройство рекомендуется ставить на зарядку, это увеличит срок его службы. Полностью заряжать и разряжать такие аккумуляторы рекомендуется один раз в три месяца, если делать это чаще, то емкость хранения заряда теряется и аккумулятор изнашивается быстрее.

2. Не стоит допускать перезаряда аккумулятора.

Не нужно оставлять телефон на длительной зарядке, например, как это делает подавляющее большинство людей, ставя смартфон заряжаться на всю ночь. Для решения этой проблемы, как вариант подойдут специальные энергосберегающие розетки, которые отключат ваше зарядное устройство от сети через заданное время

3. Отключайте службы и приложения, которыми не пользуетесь

Огромная часть заряда батареи расходуется на работу фоновых приложений и на различные беспроводные технологии передачи данных такие как WI-FI, GPS, Bluetooth, нет необходимости постоянно держать активными эти сервисы и включать их без надобности. Чтобы избежать этого достаточно просто пользоваться встроенными приложения по сохранению энергоэффективности своего устройства или скачать его.

4. Отключение автояркости экрана

Абсолютно все современные смартфоны оснащены встроенными датчиками света, которые регулируют уровень яркости экрана вашего устройства от условий естественного освещения окружающей вас среды. Данная функция требует от процессора устройства беспрерывного анализа и обработки данных. В результате устройству для работы нужно больше энергии. Лучше выставить яркость в ручную.

5. Не подвергайте устройство воздействию экстремальных температур.

Следует обращать свое внимание к температуре хранения и эксплуатации литий-ионных батарей — высокие и низкие температуры негативно влияют на срок службы аккумуляторов. Ваша батарея дольше сохранит заряд если она будет находить в условиях, комфортных для самого человека. Рекомендуемая температура для большинства батарей-15С.

6. Используйте оригинальное зарядное устройство

Мало кто знает, что зарядное устройство в большинстве случаев встроено непосредственно внутрь мобильных устройств, а внешний сетевой адаптер лишь понижает напряжение и выпрямляет ток бытовой электросети, то есть напрямую на батарею не воздействует. Некоторые Устройства, например, цифровые фотокамеры, лишены встроенного зарядного устройства, и поэтому их литий-ионные аккумуляторы вставляют во внешний «зарядник». Вот тут-то использование внешнего зарядного устройства сомнительного качества вместо оригинального может негативно сказаться на работоспособности батареи [5].

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы являются современными с точки зрения плотности энергии на единицу веса, что приводит к их более широкому использованию в изделиях от мобильных телефонов до электрических и гибридных транспортных средств. Тем не менее, литий-ионные аккумуляторы могут также пострадать от внешних факторов и неправильной эксплуатации, что дает широкий выбор действий по улучшению эффективности и безопасности данных аккумуляторов [6].

1. Литий-ионный аккумулятор // Википедия. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

ru.wikipedia.org/wiki/Литий-ионный_аккумулятор/ (дата обращения: 10.12.2019).

Как тренировать литий ионный аккумулятор

Статья-заметка, включающая в себя некоторые особенности эксплуатации литиевых аккумуляторов. Включает в себя описание нескольких мифов про данный тип аккумуляторов и особенности основных этапов эксплуатации, которые помогут продлить их жизнь.

Первый заряд

Миф: После покупки нового устройства аккумулятор требуется заряжать минимум 3-5-10 часов.

Откуда пошел этот миф мне неизвестно. По факту зарядное устройство любой литиевый аккумулятор заряжает за определенный промежуток времени, а затем отключается. То есть если мы оставляем аккумулятор заряжаться N-часов, то он заряжается за 2 часа, а затем N-2 часов зарядка просто отключена. Еще стоит сказать, что новый аккумулятор должен поставляться с уровнем заряда 30-50%. То есть, если Вы покупаете телефон, а он с разряженным в ноль аккумулятором (вообще не реагирует), советую Вам задуматься. В большинстве случаев, аккумулятор нормально зарядится и будет работать, вот велик шанс, что Вы на новом устройстве получите аккумулятор с емкостью 80% от номинала.

Но особенно непонятным для меня остается подобная рекомендация от производителей техники. К примеру, ниже есть выдержка из инструкции к электроинструменту AEG. Мало того, что рекомендуют заряжать долго, так еще и заявляют, что емкость наберется только через несколько циклов заряд-разряд. Такое ощущение, что первая половина рекомендаций перекочевала из инструкции от версии инструмента с Ni-Cd аккумулятором, а часть после была дописана при переходе на Li-Ion.

Хотя заряжать устройство дольше положенного первый раз может быть полезно для аккумуляторов, собранных из нескольких последовательных банок. Длительный цикл заряда в данном случае гарантирует то, что аккумулятор будет как следует отбалансирован.

Тренировка

Миф: Новый аккумулятор требуется первые несколько циклов полностью разрядить-зарядить, чтобы он набрал номинальную емкость.

Скорее всего данный миф возник из-за субъективного восприятия времени работы нового устройства. Сами вспомните, вы покупаете новый телефон и по началу активно играетесь с ним, понятное дело что он быстро разряжается. Затем использование устройства постепенно выходит на нормальный уровень, стабилизируется и время работы, причем на некоторой большей величине. Поэтому и имеем ощущение, что аккумулятор потихоньку раскачался.

Реально же, раскачать можно аккумуляторы на основе никеля и свинца, т.к. химические процессы в них частично обратимы. В случае литиевых аккумуляторов обратить, к сожалению, ничего нельзя, можно только замедлить (об этом ниже).

А вообще, за подробностями проходите сюда.

Нереальные емкости

Миф: Маркировки 100500мАч на корпусе аккумулятора.

Не совсем миф, просто факт наличия в продаже усиленных аккумуляторов с вкусными х-ками. Причем прослеживается зависимость: чем ниже стоимость, тем наглее производитель и большие цифры он рисует на теле аккумулятора.

Если посмотреть описание по ссылке, там есть характеристика «actual capacity». Это не опечатка, аккумулятор в реальности имеет емкость в 10 раз ниже заявленной. В данном случае, маркировка — это откровенный обман производителя.

Чтобы понять, какие в настоящий момент возможны максимальные емкости аккумуляторов тех или иных типоразмеров. Если кто-то предлагает аккумулятор в том же размере. Мало того, о качестве аккумуляторов говорит их вес. Конечно, технологии не стоят на месте, но чтобы понять, где в текущий момент ее передовая, достаточно посмотреть, что предлагают крупные производители аккумуляторов (к примеру, Samsung, Panasonic, Sanyo).

В текущий момент максимальную емкость имеют аккумуляторы Panasonic NCR18650B, для них это значение составляет 3400мАч. И даже в этом случае производитель немного лукавит, считая емкость для экстремально широкого диапазона разрядных напряжений: с 4.2В до 2.75В, на таком диапазоне никакая техника обычно не работает, ограничивая разряд либо значением 3.0В, либо вовсе 3.3В (в мобильных телефонах).

Заряд

Любое правильное зарядное устройство для литиевого аккумулятора должно работать по алгоритму CC-CV (Constant Current — Constant Voltage). Это означает, что в начале аккумулятор заряжается постоянным током (обычно не превышающим численное значение емкости аккумулятора). Когда напряжение на нем достигает требуемой величины (4.1, 4.2, 4.35В в зависимости от типа), зарядное устройство должно переходить в режим поддержания напряжения, с этого момента напряжение поддерживается постоянным, а зарядный ток постепенно падает.

Есть еще интересный момент. К примеру, имеем аккумулятор с конечным напряжением заряда 4.2В. Производитель заявляет для него 300 циклов заряд-разряд (т.е. через 300 циклов аккумулятор должен потерять не более 20% емкости). Если мы будем каждый раз заряжать аккумулятор до 4.25В (т.е. чуть перезаряжать, схема защиты аккумулятора при таких перезарядах еще не срабатывает), тогда число циклов уменьшится до 100, а если до 4.15В (т.е. теряя несколько процентов емкости), то число циклов увеличится до 500.

Граница здесь получается довольно маленькой, около 0.05В. Лично мое мнение, это одна из причин, почему в одном сотовом телефоне аккумулятор живет 1-2 года, а в другом потеря емкости начинает ощущаться только после 3-4 лет эксплуатации.

Разряд

Минимально допустимое напряжение при разряде устанавливается производителем аккумулятора. Обычно это значение лежит в пределах 2.5-2.7В. Ниже этого значения в аккумуляторе начинаются необратимые химические процессы, приводящие к необратимой потере емкости. Здесь все индивидуально, какой-то аккумулятор после ухода ниже потеряет 20% емкости, что может быть почти незаметно, а какой-то может потерять все 80%, то есть станет почти непригодным к использованию.

Очень интересен мой собственный опыт восстановления аккумуляторов после глубокого разряда. Имелась выборка из 40 литиевых банок Samsung INR18650 из 2х утопленных аккумуляторов от перфоратора. Первая сортировка банок была следующим образом: более 2.7В и менее 2.7В. Те, что имели напряжение более 2.7В были сразу отмечены как исправные. Далее шли разряженные. Это были аккумуляторы с напряжением 0-100мВ и 0.5-1.5В.

По итогу восстановления, те что имели хоть какое-то остаточное напряжение неплохо взяли заряд, сохранив более 50% изначальной емкости, а те что имели напряжение менее 100мВ, заряжаться отказывались: при зарядке вели себя как низкоомный резистор (таким образом можно предположить, что у них произошло внутреннее замыкание).

Вообще, в теории, зарядка такого «убитого» литиевого аккумулятора опасный процесс: при внутри у него начинает кристаллизоваться металлический литий и он нарастает на электроде. Таким образом, возможно замыкание аккумулятора. Если замыкание происходит в разряженном состоянии, тогда выделяется немного энергии, а вот если оно произойдет, когда аккумулятор полный, фейерверк обеспечен. Однако, подобных случаев мне неизвестно.

Хранение

Главный недостаток литиевого аккумулятора — он подвержен старению. Данный процесс необратим и запускается со дня производства аккумулятора. Старение проявляется постепенной потерей емкости. То есть кроме изнашивания в процессе эксплуатации, аккумулятор сам по себе теряет какую-то часть своей емкости. Обычно это значение в пределах 10% в год.

Что же влияет на скорость старения? В первую очередь это:

1. Уровень заряда, который находится в аккумуляторе в процессе эксплуатации.
2. Температура хранения.

Высокие температуры противопоказаны, при высоких эксплуатационных температурах аккумулятор деградирует быстрее, да и при хранении стареет быстрее.

Так же производителями рекомендуется хранить аккумулятор с уровнем заряда 30-50%, выше — скорость деградации увеличивается, ниже — есть риск уйти в переразряд. Официальная рекомендация AEG на этот счет:

То есть, попользовались зарядили (чтобы не было полных циклов), а пользоваться долго не планируем — разрядили до половины и храним. Кстати, некоторые Li-Po аккумуляторы при хранении со 100% зарядом имеют обыкновение разбухать.

Очень информативна данная таблица:

Как из нее видно, чтобы максимально снизить скорость старения, требуется: зарядить аккумулятор на половину и хранить при низкой температуре. С температурой главное не переусердствовать. Минимальная для литиевых аккумуляторов около -20С, при более низких есть риск заморозить электролит, что приведет к полной неработоспособности аккумулятора. Разумная температура 0-10С, т.е. то что имеется в камере холодильника (не морозилке!).

Хранение лития в холодильнике — практика, распространяющаяся среди авиамоделистов, есть темы где идет обсуждение этого процесса (к примеру эта). С недавнего времени, у меня появилось довольно много литиевых аккумуляторов для инструмента, которые в полном объеме требуются раз в несколько месяцев. Поэтому захотелось продлить аккумуляторам жизнь. Для этого купил пластиковые герметичные контейнеры и силикагель. Последний необходим потому что при понижении температуры воздуха в замкнутом объеме влажность повышается (вплоть до выпадения росы). Эту избыточную влажность необходимо поглотить.

Итого все выглядит так:

Ссылки

• О Li-po батареях
• Литий-ионный аккумулятор, статья на Wikipedia

О сайте

Подборка статей и отчетов о различных математических и электронных экспериментах.

Правила эксплуатации литиевых аккумуляторов

Без химических источников тока мы уже не представляем сегодня нашей жизни, поэтому выход из строя любого из них из-за проблемы с аккумулятором доставляет нам массу неудобств. Чтобы этого не происходило, важно знать основные правила эксплуатации Li-ion аккумуляторов и придерживаться их в повседневной жизни.

Эксплуатация литий-ионного аккумулятора: основные правила

• перезаряд так же вредит аккумулятору, как и глубокий разряд это необходимо учитывать;
• не нагревать аккумулятор. Самый страшный враг АКБ – высокая температура. Строго придерживайтесь допустимого температурного режима при эксплуатации аккумуляторов (от-20 до + 50 градусов), не оставляйте АКБ под прямыми солнечными лучами или вблизи искусственных источников тепла;
• правильно хранить аккумулятор. Идеальное состояние для хранения АКБ литий-ионного типа – наполовину заряженным, при нулевой температуре воздуха. Чем выше будет температура хранения аккумулятора, тем меньше станет его емкость. Не храните АКБ в полностью разряженном состоянии так вы вызовете его необратимую деградацию;
• необходимо учитывать силу тока разряда – чем она выше и чем выше нагрузка на аккумулятор, тем меньше становится его ресурс.
• берегите аккумулятор от ударов и чрезмерной вибрации. При установке аккумулятора на электровелосипед или другой электротранспорт обязательно используйте мягкую подкладку.

Иногда не совсем компетентные продавцы рекомендуют «тренировать» новый аккумулятор. Для литий-ионных АКБ этот процесс абсолютно не имеет смысла, так что полностью заряжать, а затем полностью разряжать новую аккумуляторную батарею не требуется.

Правильная эксплуатация литиевых батарей обеспечит им продолжительный срок службы и позволит использовать их максимальной эффективностью. Соблюдайте эти простые правила, и проблем с новым литий-ионным аккумулятором не возникнет.

Прилагаем памятку по хранению литиевых аккумуляторов в формате PDF. Скачайте и пользуйтесь.

• 20 декабря 2016 г.
• 10156 просмотров

• электровелосипед, Аккумулятор, АКБ, тока разряда, электротранспорт, литиевые аккумуляторы, ёмкость, Li-ion, PDF, литиевых, литий-ионных, литиевые, аккумуляторы, разряда, выход, 50, Литий, Li-ion аккумуляторы, аккумулятор электровелосипед, 20

Нужно ли тренировать Li-ion аккумулятор у нового ноутбука?

Купил новый ноутбук Hewlett-Packard Модель HP Pavilion tx 2520er Продавец сказал, что для того что бы аккумулятор лучше работал его нужно три раза полностью зарядить, а потом полностью разрядить. С другой стороны я слышал мнения, что тренировать современные аккумуляторы циклами полной зарядки — разрядки не нужно. В инструкции к ноутбуку про тренировку аккумулятора ничего не написано. Вопрос. Нужно или нет тренировать современные Li-ion аккумуляторы?

На сайте с 01.12.2006
9 октября 2008, 19:15
zexis:
Нужно или нет тренировать современные Li-ion аккумуляторы?

Нужно тренировать. Это если Вам так хочется соответствовать инструкции. А если по делу — как часто Вы планируете работать на батарейке?