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

Содержание

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.

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 (Tимп), 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 Tимп, 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 Tимп, 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.

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.

CEMO – Безопасный шкаф для зарядки аккумуляторов FWF 60: исполнение PREMIUM PLUS, Ш x Г x В 890 x 660 x 520 мм

Большинство пожаров, связанных с литиевыми батареями, произошло во время процесса зарядки.

Поэтому хранение и зарядка литиевых батарей должны быть строго разграничены в целях безопасности.

Противопожарная защита особенно важна при зарядке литиевых аккумуляторов. С помощью безопасных шкафов для зарядки можно снизить до минимума последствия пожара и значительно повысить безопасность во время работы.

Преимущества:
– зарядка нескольких литиевых аккумуляторов в шкафу
– своевременное оповещение в случае повреждения
– соблюдаются все соответствующие правила безопасности для зарядки литиевых батарей
– идеальный вариант для ограждения предметов на складе при зарядке аккумуляторов

Исполнение:
– огнестойкость, проверенная MPA, в течение 60 минут в направлении изнутри наружу в соответствии с DIN EN 1363-1
– реальное испытание на огнестойкость батареи успешно проведено в независимом университете
– конструкция из негорючих, огнеупорных компонентов (негорючий, огнеупорный, однородный сплошной материал)
– специальные противопожарные уплотнения предотвращают выход пламени
– непроницаемая для дыма с низкой температурой система уплотнения отверстий
– возможность транспортировки для размещения на месте установки
– двустворчатая дверь с надежным замком и прочными петлями
– двери окрашены в оранжевый цвет, аналог RAL 2004, корпус – в серый цвет, аналог RAL 7035

Безопасность при зарядке:
– отвод тепла при зарядке с помощью вентилятора
– питание от удлинителя на 4 розетки (3500 Вт, 16 А)
– отключение подачи тока при открытии дверей
– прекращение зарядки в случае неисправности или аварии
– герметизация отверстий приточного и вытяжного воздуха термоэлементами

Принадлежности – заказывайте сразу
Огнестойкий, протестированный кабельный ввод для универсального применения (например, для подключения внутренней пожарной сигнализации).

Оснащение:
детектор дыма, подача питания в шкаф – штекерный удлинитель на 4 розетки, техническая вентиляция, обесточивание при нагреве, дверной контактный выключатель, с удаленным оповещением и передачей данных с помощью SIM-карты, дополнительные функции благодаря дистанционному управлению, обесточивание в том числе при образовании дыма, сигнализатор дыма с беспотенциальным выходом для сигнала тревоги.

12 вольт, li ion (литий ионные)

Аккумуляторный инструмент удобен на природе, местах, лишенных стабильного постоянного доступа к электропитанию. Отсутствие кабеля позволяет избежать неудобств с удлинителями, страха перегрузить сеть, запутывания проводами, невозможности подлезть к труднодоступным участкам.

Эксплуатация аккумуляторного инструмента имеет свои особенности. Как правильно зарядить аккумулятор, не испортив? Из чего состоят, чем отличаются? Ответы – в статье.

Устройство аккумулятора шуруповерта

Основные элементы конструкции:

  • Корпус, на котором размещены контакты (соединяют с з/у или электроинструментом).
  • «Банки» (как правило, их несколько), объединенные общей цепью.
  • Для безопасной эксплуатации есть температурный датчик, предотвращающий перегрев.

Характеристики АКБ для шуруповертов:

  • Напряжение (В) – это показатель, характеризующий возможности инструмента. Оно влияет на то, насколько сложные задачи получится выполнить с его помощью. Напряжение можно охарактеризовать как эквивалент мощности сетевых приборов. Показатель непостоянен: достигает пика при полностью заряженной батарее, постепенно снижается в процессе разрядки. Именно поэтому есть смысл выполнять работы, требующие высокой силы удара, вначале.
  • Емкость характеризует, какое количество энергии накапливает устройство. Влияет на продолжительность работы на одном заряде. Надо помнить – одно устройство с одной батареей будет работать разное время (зависит от сложности задач).
  • Масса и габариты влияют на то, насколько комфортно использовать их с инструментом. Устройство с тяжелой батареей продолжительно удерживать на весу будет неудобно, что скажется на производительности и качестве выполняемых работ.
  • Дополнительный функционал. Индикатор отражает, какое количество энергии осталось до полной разрядки. Полезен, чтобы распланировать рабочее время. Некоторые производители выпускают батареи, совместимые с рядом разнообразных инструментов: триммерами, шуруповертами, электропилами, лобзиками.

Какие типы аккумуляторов существуют?

Какие разновидности АКБ используются дрелями-шуруповертами?

  • Никель-кадмиевые (NiCd). Первый тип устройств, долго держит зарядку, оснащен достаточной емкостью. Есть эффект памяти, который запрещает ставить на зарядку при неполном разряде батареи. Поэтому частая подзарядка недопустима, это ведет к сокращению емкости АКБ. Перед первым использованием сначала полностью зарядите блок, потом начинайте работу с инструментом. Никель-кадмиевые используются шуруповертами бюджетного класса. Они дешевые. Подойдут для нечастого использования.
  • Никель-металл-гидридные (NiMH). Пришли на смену никель-кадмиевым. Более экологичны и меньше весят. Хуже сохраняют зарядку в режиме бездействия, за счет чего может быстро снизиться емкость батареи. Желательно подзаряжать перед каждым применением, всегда брать с собой зарядное устройство.
  • Литий-ионные (Li-Ion). Характерны достаточной емкостью батареи. Лишены эффекта памяти, рассчитаны на интенсивное и регулярное применение. Быстро заряжаются, циклов насчитывают до 1000. Отличаются сравнительно высокой стоимостью. Быстрее разряжаются, когда работают при низких температурах, давая нестабильный поток энергии. Хранить такие батареи нужно разряженными наполовину, периодически восполняя емкость.

Особенности и правила зарядки АКБ шуруповертов

Батареи произведены из разных материалов. Это влияет на размеры, вес, возможность сверлить при минусовых температурах, напряжение, емкость, подверженность эффекту памяти. Последний особенно влияет на принцип зарядки шуруповерта.


Эффект памяти – это потеря емкости, достигаемая неполной разрядкой аккумуляторной батареи. Если прекратить использование инструмента до того, как он разрядится полностью, устройство “запомнит” это и не будет использовать ресурс в полном объеме. Несоблюдение правил эксплуатации батареи сокращает емкость.


Сколько времени нужно заряжать аккумулятор шуруповерта?

Перед тем, как зарядить аккумуляторную дрель или шуруповерт, нужно определить, сколько времени потребуется для этой процедуры. Период прописан в инструкции, прилагающейся к инструменту. Некоторые модели имеют световую индикацию – она отобразит, когда прибор полностью заряжен. После завершения зарядки сразу отсоедините батарею от з/у.

Обычно время заряда составляет от получаса до 7 часов, в зависимости от типа батареи и зарядного устройства. Дольше всего подпитываются энергией никель-кадмиевые – 3-7 ч.

Правила хранения аккумулятора шуруповерта

Литий-ионные

Лишены эффекта памяти: можно подзаряжать на любой стадии. Не стоит допускать полного разряда – приводит к выключению защитных контроллеров, предотвращающих перегрузки. В результате этого устройство может не выдержать интенсивную эксплуатацию, выйти из строя.

Никель-кадмиевые

Аккумулятор перед хранением разряжают практически полностью (до состояния нерабочего инструмента). Чтобы убрать устройство на долгое хранение (более 6 месяцев), выполните от 3 до 5 полных курсов заряда-разрядки.

Никель-металл-гидридные

Больше остальных типов подвержены быстрому саморазряду. После длинного срока хранения нужно поставить АКБ на зарядное устройство минимум на сутки, чтобы восполнить запасы энергии. Отмечается снижение емкости после 300 циклов заряда-разрядки.

Заряжать аккумулятор перед хранением?

Как с прошлым пунктом, зависит от типа, есть ли смысл зарядка АКБ перед хранением.

Li-Ion

На хранение литий-ионный аккумулятор нужно убирать с зарядом в 50%, периодически (1 раз / 1-2 мес.) доставать и подзаряжать.

NiCd

Хранить в разряженном состоянии.

NiMH

Постоянно поддерживать уровень зарядки, периодически восполнять.

Проверка состояния АКБ при помощи мультиметра

Будет полезно, чтобы определить причину, по которой батарея не заряжается. Процедура выявит работоспособность аккумуляторов. Приведем простые в реализации методы, которые можно использовать в домашних условиях. Подготовьте оборудование: помимо мультиметра потребуются инструменты для разборки АКБ (плоскогубцы, паяльник, отвертка, нож.

  1. Проверьте батарею на зарядке, снимая показания с интервалом 30 минут. Вольтаж должен стабильно возрастать до полной зарядки.
  2. Быстрый метод проверки состояния АКБ. Замеряем U вхолостую. Сопоставляем результат с реальным напряжением и количеством элементов Показатели разнятся – АКБ имеет нерабочие части, которые требуется заменить.

Способы зарядки без использования зарядного устройства (нестандартные методы)


НАДО ЗНАТЬ! Не рекомендуем применять на практике информацию из данного пункта. Приводим в ознакомительных целях.


Существуют нестандартные методы, как заряжать аккумулятор шуруповерта без зарядного устройства:

  • зарядка от автомобиля,
  • универсального з/у,
  • внешнего источника энергии.

Эффективность таких действий может быть оправдана, если нет фирменной зарядки. Безопасность сомнительна – возможна перезарядка. Не советуем использовать эти методы – они могут привести к выходу из строя, поломке аккумуляторной батареи и опасны для пользователя. Приобретите фирменный АКБ аналогичной шуруповерту марки или подходящий по характеристикам.

Что делать, если АКБ шуруповерта не заряжается?

Условия хранения и эксплуатации выполнялись, экзотические способы зарядки не использовались, а АКБ перестал заряжаться. Что делать?

  1. Осмотрите контакты между клеммами аккумуляторного блока и з/у. Причина неработоспособности может оказаться в недостаточно высоком контакте. В этом случае рекомендуем разобрать зарядное устройство, после чего подогнуть клеммы.
  2. В корпус з/у могли попасть грязь, мелкие частицы пыли. Чтобы этого избежать, своевременно протирайте контактную группу. Признаки загрязнения – это уменьшенное время работы дрели-шуруповерта, восполнение заряда проходит быстрее.

НАДО ЗНАТЬ! Попытка самостоятельно разобрать инструмент и сопутствующие детали, отремонтировать лишит гарантии. Сомневаетесь в технических навыках – отнесите неработающее оборудование в сервис.


Что делать, если аккумулятор не держит заряд?

  • Заказать новый. Если аккумулятор не держит заряд, его циклы закончились. Нормально, что АКБ со временем изнашиваются.
  • Обратить внимание на условиях эксплуатации. Li-Ion для дрели-шуруповерта не держат при низкой температуре.
  • NiCd, NiMH подвержены эффекту памяти. Возможно, вы ставили заряжать аккумулятор шуруповерта до полной разрядки. Это становится причиной того, что аккумулятор не держит заряд – купите новый.
  • Инструмент куплен недавно, а аккумулятор не держит заряд? Возможно, попался бракованный экземпляр. Обратитесь в сервисный центр.

Атомные батарейки и зарядка по Wi-Fi: будущее рынка сохранения энергии

Ученые и компании ищут новые решения для хранения энергии. РБК Тренды разобрались, чем уже скоро станут привычные нам аккумуляторы

Время на чтение: 10–12 минут

Согласно отчету Verified Market Research, мировой рынок аккумуляторов по итогам 2019 года оценивался в $36,35 млрд. К 2027 году он может вырасти до $116 млрд. При этом объем российского сегмента рынка систем накопления энергии к 2025 году может составить $1,5-3 млрд в год. Минэнерго в своей концепции 2017 года заявляло о $8 млрд к 2025 году.

Наиболее популярными хранилищами энергии остаются литий-ионные аккумуляторы. Однако компании и исследователи находятся в поиске новых решений, которые станут более энергоемкими, дешевыми и экологичными.

Электротранспорт и бытовая техника

Продвинутый Li-Ion

В 2019 году Tesla объявила о разработке батарей, способных выдержать 1 млн миль (свыше 1,6 млн км) пути без необходимости замены. Текущие аккумуляторы нужно менять после 300 — 500 тыс. миль проделанного пути.

Новая батарейка Tesla (Фото: electrek. co)

Речь идет о литий-ионных батареях с катодом следующего поколения и новым электролитом. Даже при температуре в 40 °C они выдерживают 4 000 циклов заряда-разряда, а с активной системой охлаждения аккумуляторы смогут выдерживать до 6 000 циклов. Пока вышли первые протестированные образцы.

Графит

В 2020 году Mercedes-Benz объявил о планах по созданию органического аккумулятора. Основой технологии станет графит с электролитом на водяном растворе. Это позволит исключить использование тяжелых и токсичных металлов, а утилизировать батареи можно будет путем компостирования. Однако в Mercedes отмечают, что начало массового производства таких аккумуляторов начнется не раньше, чем через 15 лет.

Углеродные волокна

В 2021 году группа ученых из технологического университета Чалмерса в Швеции представила аккумулятор для автомобиля из углеродного волокна. Ученым удалось добиться номинального напряжения 2,8 В, а батареи имели удельную емкость 8,55 А·ч/кг, плотность энергии 23,6 Вт·ч/кг (при 0,05 °C), удельную мощность 9,56 Вт/кг (при 3 °C) и толщину 0,27 мм. Это примерно 4 680 ячеек, которые Tesla помещает в электрокары, чтобы иметь плотность энергии 380 Вт·ч/кг.

Пластина аккумулятора из углеродного волокна (Фото: Advanced Energy and Sustainability Research)

Батарея из углеродного волокна в виде крышки багажника (Фото: Advanced Energy and Sustainability Research)

В будущем такие аккумуляторы из композитных материалов можно будет использовать как в автомобилях, так и в самолетах, чтобы сделать их легче и экологичнее. Пока ведутся испытания прототипов разных форм-факторов.

Без кобальта

В конце 2019 года IBM представила образец аккумулятора без никеля и кобальта, из материалов, которые могут быть получены из морской воды. Он включает комбинацию катодного материала без тяжелых металлов и безопасного жидкого электролита с высокой температурой горения. Специалисты уже подсчитали, что эти материалы могут сделать аккумуляторы дешевле существующих литий-ионных и при этом будут иметь более высокие характеристики скорости зарядки и энергетической плотности, а также будут менее огнеопасными.

Авторы разработки считают, что у нее есть потенциал для внедрения в отрасль электромобилей. Для достижения заряда на уровне 80% батарее требуется менее пяти минут, она имеет энергоэффективность более 90%, а ее мощность превышает 10 000 Вт/л, что больше показателей самых мощных литий-ионных батарей. Кроме того, тесты показали, что батарея способна прослужить достаточно долго, чтобы ее можно было использовать в интеллектуальных электросетях и новой энергетической инфраструктуре.

Для будущего производства аккумуляторов IBM уже заключила коммерческое соглашение с Mercedes-Benz, поставщиком электролита Central Glass и производителем батарей Sidus.

Полимеры

В 2017 году стартап Ionic Materials презентовал полимерный аккумулятор, который в перспективе сможет заменить литий-ионные. Компания заявила, что полимерные литий-металлические аккумуляторы будут безопаснее, долговечнее и экономически выгоднее, так как процесс их производства похож на производство пластиковой упаковки.

Аккумулятор Ionic Materials (Фото: ionicmaterials.com)

Разработка имеет высокое относительно литий-ионных аккумуляторов напряжение (5 В). Прототип, как заявляет производитель, выдерживает до 400 циклов заряда-разряда. Компания работает над тем, чтобы увеличить этот показатель втрое.

Полимер для аккумуляторов получили из алюминия и других распространенных материалов.

На цинке

EnZinc, стартап по производству цинковых батарей, заявил в 2021 году, что нашел способ для замены лития на нетоксичный и дешевый цинк в аккумуляторах. До этого на рынке существовали только неперезаряжаемые цинковые батареи.

Уже появились первые цинковые батареи, которые можно быстро заряжать и разряжать, и которые имеют высокую емкость, 460 Вт·ч/кг (по сравнению со 120 Вт·ч/кг для больших литиевых аккумуляторов). Они выдерживают несколько тысяч циклов зарядки и разрядки. Ведутся испытания образцов.

Такие батареи могут стоить $100 за кВт·ч, что вдвое дешевле самых простых литий-ионных версий. Их можно будет масштабировать для мобильных телефонов и до транспортных систем, а также для нужд электроэнергетики.

«Вечная атомная батарейка»

В 2020 году американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая потенциально может проработать тысячи лет. Разработка имеет специальный корпус из синтетических алмазов, внутрь которого помещен радиоактивный центр, работающий на переработанных ядерных отходах углерода-14. Бета-излучение изотопов преобразуется в электрический ток.

Испытания батарейки показали, что радиационный фон остается в норме, а сама она не выделяет углекислый газ. При этом ее стержень «фонит» до 28 тыс. лет, и именно столько может работать батарейка.

Nano Diamond Battery уже предложила разные форм-факторы, в том числе широко распространенные АА, AAA, 18650, CR2032 и другие.

Разные форм-факторы атомных батереек (Фото: ndb.technology)

Пока разработку будут тестировать предприятия, которые производят, обслуживают и утилизируют продукты ядерного топлива, а также компании аэрокосмической, оборонной и охранной продукции.

Над похожей батарейкой работали и специалисты из НИТУ «МИСиС». Их конструкция работает на никелевом бета-гальваническом элементе, который служит около 20 лет.

Батарейка НИТУ «МИСиС» (Фото: misis.ru)

Кроме того, в МИСиС разработали термохимические ячейки, которые превращают тепло в электрическую энергию. Эти элементы можно размещать на одежде и использовать их энергию для зарядки мобильных устройств.

Термохимические ячейки (Фото: misis. ru)

Альтернативная энергетика

Солнечная энергия

В мае 2012 года международная группа ученых разработала новые ультратонкие металлические электроды на золоте, которые позволят создавать прозрачные солнечные панели. Эти панели можно будет устанавливать в окнах домов и офисов. Они будут аккумулировать энергию солнечного света в течение дня.

А в 2020 году Tesla презентовала собственный инвертор солнечной энергии, который дополнит линейку домашних солнечных батарей компании. Он будет преобразовывать солнечную энергию в энергию постоянного тока, а затем — в энергию переменного тока для бытового потребления. Устройство сможет работать при температурах от минус 30 °C до 45 °C. В зависимости от числа трекеров точки максимальной мощности, оно сможет выдавать от 3,8 кВт до 7,6 кВт мощности.

Инвертор Tesla (Фото: electrek. co)

Геотермальная энергия

Американский стартап UC Won в 2020 году предложил концепцию геотермального накопителя GeoTES (Geological Thermal Energy Storage) для круглосуточного использования солнечной энергии. Система объединит солнечные тепловые коллекторы с параболическими зеркалами (фокусируют лучи в одной точке), подземное хранилище тепла в осадочных породах (образуются при низких температурах и давлении) и электрогенерирующее оборудование на пару в виде трубок и турбины. При нагревании солнцем вода в трубках будет испаряться, а пар будет входить в турбину и одновременно закачиваться под землю, разогревая осадочную породу. Ночью вода под землей будет испаряться уже под воздействием разогретой породы. Получаемый пар используют для выработки электроэнергии.

Схема работы системы GeoTES (Фото: renewgeo. com)

Криосистемы

Стартап из Великобритании Highview Power начал работы в Манчестере по строительству комплекса CRYOBattery мощностью 50 МВт и емкостью 250 МВт·ч. Система CRYOBattery будет захватывать воздух из атмосферы в специальную емкость и сжимать его при сверхнизких температурах (минус 196 °C), чтобы превратить в жидкость. Эту жидкость поместят в баки с теплоизоляцией и низким давлением. Нагревание вернет воздух в газообразное состояние, а газ приведет в действие турбины генераторов, которые будут вырабатывать электричество.

Схема работы CRYOBattery

В мае 2021 года международная группа ученых представила новые ультратонкие металлические электроды из золота, которые можно будет применять для разработки прозрачных солнечных панелей. Потенциально такие панели можно будет встраивать в окна домов и офисов, чтобы аккумулировать энергию.

Гравитация и другие необычные решения

Шотландский стартап Gravitricity в 2021 году объявил о начале пилотного проекта гравитационного накопителя энергии в Эдинбурге, крупнейшем закрытом глубоководном порту.

Демонстрационный образец накопителя энергии Gravitricity мощностью 250 кВт (Фото: gravitricity.com)

Будущие системы Gravitricity будут устанавливаться над 150-1500-метровыми заброшенными шахтами. Масса грузов при этом может варьироваться от 500 т до 5 тыс. т. При спуске груза будет происходить выработка электроэнергии. Она будет возвращаться в сеть в моменты пикового потребления. Приводом лебедки груза будет служить электрическая машина, способная поглощать или вырабатывать электрическую энергию при подъеме или опускании груза. Такая система позволит обеспечить 4 МВт мощности и может проработать 50 лет без потери производительности. Gravitricity собирается внедрять свою технологию в вышедших из эксплуатации шахтах по всему миру.

А ученые Массачусетского технологического института разработали батарею, которая будет питаться углекислым газом из любого источника. Она может поглощать потоки как из выхлопной трубы автомобиля, так и собирать углекислый газ из атмосферы.

Батарея состоит из ряда последовательных камер, в которых находятся электрохимические ячейки, пропускающие поток. Когда она заряжается, на поверхности электродов протекает электрохимическая реакция, а затем батарее требуется разрядка для очистки электродов. Чистый газ при этом откачивается в отдельную камеру.

Cистема может выдерживать не менее 7 тыс. циклов зарядки-разрядки с 30% потерей эффективности за это время. В будущем этот показатель может вырасти до 20–50 тыс. циклов.

https://vimeo.com/368583616

Демонстрация работы батареи на углекислом газе

Между тем исследовательская группа из Национального университета Сингапура (NUS) и японского Университета Тохоку (TU) разработала технологию, которая с помощью крошечных интеллектуальных устройств позволит преобразовывать беспроводные радиочастоты в энергию. Таким образом, в будущем микроэлектронику можно будет запитывать с помощью сигналов Wi-Fi.

Зарядка литиевых батарей: основы

Никки Мойлан 19 марта 2021 г.

При покупке в нашей компании процесс зарядки литиевых батарей становится повседневной частью рутины, и мы понимаем, что существует много информации о наших продуктах. Будь то то, как технология принимает зарядку, или передовые методы зарядки, мы здесь, чтобы изложить основы. Будь то передовые методы зарядки литиевых батарей, чтобы получить дополнительную информацию о том, как они работают и можно ли заряжать, чтобы ваша аккумуляторная система работала эффективно, наша команда всегда готова помочь.

Как зарядить аккумулятор LiFePO4?

Наша команда получает этот вопрос ежедневно, и у нас есть сообщение в блоге о зарядке аккумуляторов LiFePO4, которое помогает решить эту тему. Существует три основных способа зарядки системы: от солнечной батареи, от генератора и от берега.

Battle Born Batteries продает аксессуары только тех брендов, которые, как мы знаем, производят качественную продукцию. Одна из таких компаний - Victron Energy. Battle Born - главный продавец компонентов Victron, потому что они надежны и хорошо сконструированы.Они даже предлагают телефонное приложение Victron Connect, в котором вы можете просматривать все сведения о своих устройствах с поддержкой Bluetooth.

Наша команда также рекомендует компоненты от Progressive Dynamics и Magnum. У нас есть много вещей для покупки, так что загляните в наш магазин, если вы ищете больше мощности!

Один из компонентов, который мы часто рекомендуем, - это контроллеры заряда Victron Energy SmartSolar MPPT для систем, оборудованных солнечными батареями. Для контроллеров заряда от солнечных батарей мы рекомендуем следующие настройки:

  • насыпная и абсорбционная: 14.2-14,6 В (рекомендуется 14,4 В)
  • float: 13,6 (этот параметр будет зависеть от размера солнечной батареи, включенной в вашу систему)

Мы также часто предлагаем интеллектуальное зарядное устройство Victron IP-65 Blue Smart Charger, поскольку оно водонепроницаемо, совместимо с Bluetooth и имеет профиль зарядки для литиевых аккумуляторов и аккумуляторов другого химического состава. Это устройство подключается напрямую к аккумулятору и предназначено для зарядки от одного аккумулятора. Он отлично подходит для тех, кто работает с троллинговыми двигателями или у которых последовательно соединены аккумуляторные системы.

Для зарядки генератора мы часто рекомендуем использовать зарядное устройство постоянного тока или зарядное устройство аккумулятор-аккумулятор. Изолированное зарядное устройство Victron Orion-TR Smart DC-DC представляет собой адаптивное трехступенчатое зарядное устройство с алгоритмами для опций накопления, поглощения и поплавка.

Вы также можете безопасно смешивать химические составы батарей с этим устройством, например пусковую батарею AGM с домашним литиевым банком. Стремитесь к диапазону от 14,2 В до 14,6 В с объемной ступенью и ступенью абсорбции, а для плавающей ступени лучше всего подходит 13,6 В.

Хотя литиевые батареи технически не требуют плавающего заряда, подавляющее большинство устройств все еще имеют режим плавающего заряда. Батареи, естественно, имеют напряжение 13,6 В, но достижение 14,6 В является идеальным и должно произойти, чтобы задействовать механизмы балансировки.

Нужно ли покупать специальное зарядное устройство для аккумуляторов LiFePO4?

Обращаясь к этому вопросу, наш главный операционный директор, Шон, подчеркивает, что комплект для модернизации от Progressive Dynamics с системой преобразователя имеет варианты зарядки литиевых батарей.Еще одно зарядное устройство, которое мы рекомендуем, - это Progressive Dynamics Inteli-Power 9100 из-за того, что их легко включить и установить в вашу систему в дополнение к любому компоненту Victron.

Могу ли я заряжать литиевые батареи от генератора?

Зарядка от генератора - это распространенный метод подзарядки литиевых батарей. Зарядка от генератора - отличный вариант, однако вам понадобится дополнительное оборудование, например, диспетчер изоляции аккумулятора (BIM).

Хорошо известный в отрасли инструмент, этот компонент специально запрограммирован для работы с нашими батареями.Он помогает одновременно контролировать дом и стартовый блок и имеет высокое внутреннее сопротивление. Он, безусловно, может потреблять больше энергии от генератора по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами.

BIM обеспечивает дополнительный уровень безопасности, чтобы не повредить систему из трех или более литиевых батарей при зарядке от генератора во время длительной поездки. Если в вашей системе менее трех наших батарей, BIM не требуется, и вместо этого вы можете использовать стандартный изолятор.Они могут регулировать ток до 220 ампер и предотвращать повреждение генератора при длительной поездке.

Sterling Устройства защиты генератора переменного тока (APD) также доступны в нашем магазине, чтобы предотвратить повреждение от скачков напряжения. Эти устройства включаются с небольшой резистивной нагрузкой в ​​миллиампер-час, чтобы уменьшить возможное повышение напряжения из-за обрыва кабеля или любых других проблем. Если увеличение будет чрезмерно резким, это может привести к серьезному повреждению APD, но ваш генератор, батареи и регуляторы были защищены.

Цикл зарядки литиевой батареи: плавать или не плавать?

Наши литиевые батареи не нуждаются в подзарядке.

Что касается цикла зарядки и наших аккумуляторов, им не нужно плавать. Когда вы полностью зарядите литиевые батареи, вы можете отключить зарядное устройство и оставить их на хранение. Учтите, что со временем батареи немного разряжаются, но это не повредит батарею. Может потребоваться долить их при извлечении из хранилища.Нет необходимости подзаряжать ваши Battle Born аккумуляторы.

Однако, если у вас есть фургон с батареей, подключенной к берегу, вам следует избегать работы ваших приборов с батареей. Если вы не используете выключатель в своей системе, у вас нет выбора, откуда поступать 12 В. Наша команда рекомендует, если у вас есть преобразователь выходного напряжения с фиксированным выходным напряжением, лучше всего использовать выключатель, чтобы вынуть батареи из цепи и дать им отдохнуть.

Если у вас есть многоступенчатое зарядное устройство или преобразователь, вы можете оставить батареи в цепи, потому что они смогут оставаться при приемлемом напряжении на последней стадии заряда.

При зарядке свинцово-кислотных аккумуляторов есть три основных этапа: накопление, абсорбция и плавание. Иногда для свинцово-кислотных аккумуляторов также требуются этапы выравнивания и техобслуживания. Это значительно отличается от зарядки литиевых батарей и их ступени постоянного тока и ступени постоянного напряжения. На этапе постоянного тока он будет поддерживать его в стабильном состоянии, пока батарея берет основную часть заряда. Как только будет достигнуто максимальное напряжение, зарядное устройство будет удерживать это напряжение, и ток начнет падать по мере того, как батарея будет заряжена.

Для свинцово-кислотных аккумуляторов эта стадия постоянного напряжения обычно называется абсорбцией, и поскольку свинцово-кислотная батарея имеет более высокое сопротивление, зарядное устройство задействует стадию более высокой абсорбции в середине цикла зарядки. Вы можете проводить массовую зарядку на максимальном токе в течение нескольких часов, а затем вам придется подождать еще 2-3 часа, пока батарея будет заряжаться. Напротив, наши батареи будут оставаться в режиме постоянного тока или в течение почти всего цикла зарядки.

После достижения максимального напряжения 14,4 В аккумулятор в основном заряжается. Теперь мы просим вас поддерживать это напряжение в течение 15-20 минут на каждую батарею. Батарея необязательно должна быть полностью заряжена, но это помогает сбалансировать ее. Напряжение ячейки начинает отделяться при максимальном напряжении. Как только это разделение напряжений произойдет, мы сможем сказать, какая ячейка заряжена больше, чем другие.

Как только мы это узнаем, тогда система управления батареями (BMS) может инициировать цикл балансировки, в котором самые заряженные батареи обескровливаются через резистор, а затем все они могут вернуться к одному и тому же состоянию заряда.Хотя для нашей батареи не требуется абсорбции, мы используем стадию абсорбции в обычных зарядных устройствах для балансировки ячеек.

Все о мультибанковской зарядке:

Зарядка с несколькими банками - отличный способ сбалансировать последовательно соединенные аккумуляторные системы. Подключены положительный полюс к отрицательному для создания системы 24 В, поэтому важно следить за тем, чтобы батареи были сбалансированы. Первая разрядившаяся батарея перейдет в режим отключения при низком напряжении, что приведет к срабатыванию другой батареи.В итоге вы получите систему с меньшей производительностью, чем вы думаете.

Это также применимо, когда в вашей системе происходит отключение высокого напряжения, поэтому выполнение этих шагов защитит вашу систему в любой из этих экстремальных ситуаций. Если вы будете часто заряжать их, они с большей вероятностью останутся в балансе, потому что BMS будет внутренне балансировать систему. В этом многоблочном зарядном устройстве выходные провода электрически изолированы и по-прежнему могут подключать каждый отдельный вывод к каждой батарее, не прерывая зарядки.Оба они будут готовы к разрядке и будут полностью заряжены.

Если вы хотите приобрести собственное зарядное устройство для нескольких банков, мы рекомендуем зарядное устройство Dual Pro Professional Series для вашей системы. Это также популярный выбор среди любителей ловли окуня. Он имеет специальный алгоритм для наших батарей и предлагается с 2 или 4 вариантами выхода.

Какое правильное напряжение зарядки для литиевых батарей 12 В, 24 В и 48 В?

Параметры зарядки нашего Battle Born Battery следующие:

  • Объем / абсорбция = 14.2–14,6 В.
  • Float = 13,6 В или ниже.
  • Нет эквалайзера (или, если возможно, установите его на 14,4 В).
  • Нет температурной компенсации.
  • По возможности, время поглощения составляет примерно 20 минут на одну батарею.

Для системы 12 В мы действительно хотим сделать акцент на достижении 14,2–14,6 В для объемного и абсорбционного, а также для плавающего значения 13,6 В или ниже.

Для системы на 24 В мы предлагаем объемную скорость и скорость поглощения 28,4–29,2 В с плавающей точкой до 27,2 В или ниже.Никакого выравнивания не требуется, но, если это возможно, мы рекомендуем 28,8 В. Температурная компенсация также не требуется, а время поглощения составляет примерно 20 минут на одну батарею, если это возможно.

Для системы 48 В мы рекомендуем объемную скорость и скорость поглощения 57,4 В и плавающую с 56,5 В до 57 В. Иногда одна из батарей может вызвать отключение высокого напряжения в вашей системе. Внутренняя BMS батареи поможет справиться с отключением высокого напряжения. Наша команда хочет подчеркнуть, что в целом нет ничего плохого в том, чтобы поиграться со ставками оплаты для оптимизации вашей системы.

Сколько времени нужно для зарядки литиевых батарей?

Один из наших наиболее часто задаваемых вопросов - «сколько времени нужно для зарядки литиевых батарей?»

Наши эксперты отмечают, что время зарядки зависит от конкретного зарядного устройства в вашей системе. Литий-ионные батареи имеют низкое внутреннее сопротивление, поэтому они принимают на себя весь ток, подаваемый в текущем цикле зарядки. Например, если у вас есть зарядное устройство на 50 ампер и одна батарея на 100 ампер-час, разделите 100 ампер на 50, чтобы получить время зарядки 2 часа.

Другой пример: у вас есть пять аккумуляторов емкостью 100 Ач (ампер-час), всего на 500 Ач и зарядное устройство на 100 ампер. Зарядка с нуля до 100 процентов займет около 5 часов с учетом времени, достаточного для балансировки цикла зарядки. Мы не рекомендуем вам превышать эту скорость зарядки, так как это может привести к сокращению срока службы батареи. В экстренной ситуации аккумулятор можно заряжать быстрее, если это необходимо, но мы не рекомендуем вам брать в привычку экстренную зарядку аккумулятора.

Если у вас есть дополнительные вопросы по зарядке литиевых батарей, наш канал YouTube и раздел часто задаваемых вопросов на нашем веб-сайте предлагают обширную информацию.Нужна дополнительная помощь? Направляйте свои вопросы нашим специалистам по продажам и техническим вопросам, позвонив им по телефону 855-292-2831 или отправив электронное письмо на адрес [адрес электронной почты защищен].

Хотите узнать больше об электрических системах и литиевых батареях?

Мы знаем, что строительство или модернизация электрической системы может быть сложной задачей, поэтому мы здесь, чтобы помочь. Наши специалисты по продажам и обслуживанию клиентов из Рино, штат Невада, готовы ответить на ваши вопросы по телефону (855) 292-2831!

Также присоединяйтесь к нам в Facebook, Instagram и YouTube, чтобы узнать больше о том, как системы с литиевыми батареями могут способствовать вашему образу жизни, узнать, как другие построили свои системы, и обрести уверенность, чтобы выйти на рынок и остаться там.

Присоединяйтесь к нашему списку контактов

Подпишитесь сейчас на новости и обновления в свой почтовый ящик.

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 LiFePO4 аккумулятор

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 (ые) 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 все батареи заряжаются 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.

Что 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.

Основные 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.

Как заряжать литиевые батареи? Основы конструкции зарядного устройства для литиевой батареи

Обычно литиевые зарядные устройства заряжают литиевые батареи с помощью постоянного напряжения и постоянного тока.Полный заряд можно проверить по значениям обратной связи постоянного напряжения и постоянного тока.

Зарядка литиевой батареи

Напряжение аккумуляторной батареи при полной зарядке:

Литий-ионные батареи 4,2 В / элемент

Литий-железные батареи LiFePO4 3,6 В / элемент

Когда разница между напряжением батареи и максимальным зарядным напряжением составляет менее 100 мВ, а зарядный ток уменьшается до C / 10, батарея считается полностью заряженной.C зависит от характеристик батарейного блока или аккумуляторных элементов.

Из соображений стоимости некоторые имеющиеся в продаже зарядные устройства не выключаются, а остаются в режиме постоянного тока после полной зарядки. Этот метод не может эффективно экономить энергию, и плавающая зарядка не рекомендуется для литиевых батарей. Это отличается от способа зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов.

Что касается обратного механизма зарядных устройств, если антиреверсивный механизм не установлен, батареи с неправильной полярностью подключения к источнику питания зарядного устройства могут привести к повреждению зарядного устройства или короткому замыканию аккумулятора.Механизм защиты от обратного напряжения позволяет защитить аккумулятор и зарядное устройство. Это особое внимание уделяется дизайну, особенно для литиевых аккумуляторных батарей с большим количеством строк и большой емкостью.

Рекомендации по проектированию зарядного устройства для литиевых батарей

В современных электромобилях, электровелосипедах и автоматических носителях довольно часто используются аккумуляторные блоки с большим количеством струн и большой емкостью, что приводит к более высоким требованиям безопасности при зарядке.Литиевые батареи с большим количеством строк и большой емкостью означают, что они состоят из большего количества аккумуляторных элементов с большей энергией батареи. Из соображений безопасности необходимы более строгие требования безопасности. Когда батареи заряжаются или разряжаются, необходимо учитывать и контролировать состояние каждого элемента батареи, такое как напряжение, ток и температура. Это касается срока службы и безопасности аккумуляторов при эксплуатации. Следовательно, важно иметь более всесторонние конструктивные решения, чтобы обеспечить безопасность аккумулятора и эффективную зарядку.Таким образом, зарядные устройства с функцией цифровой связи получили более широкое распространение.

Перед зарядкой зарядных устройств и аккумуляторов с функцией связи система управления аккумулятором (BMS) в аккумуляторном модуле будет отправлять команды на зарядное устройство для установки зарядного напряжения и тока зарядки и включения зарядного устройства через изолированную сеть зон управления (шина CAN ).

Аккумуляторные модули и зарядные устройства периодически отправляют команды через фиксированные промежутки времени, чтобы обеспечить нормальную связь между аккумулятором и зарядным устройством.Зарядное напряжение, зарядный ток и температура также контролируются и записываются. Весь процесс зарядки в основном контролируется BMS для обеспечения безопасности во время зарядки аккумулятора.

Инструмент зарядного устройства CAN Bus, разработанный FSP, может моделировать обмен данными между батареей и зарядным устройством, чтобы существенно сократить весь график разработки продукта и повысить удобство проверки тестирования продукта.

Приложение CAN Bus Charger Tool позволит вам отправлять команды на зарядное устройство для установки зарядного напряжения и тока через изолированную коммуникационную сеть CAN Bus.Интервал широковещательной передачи команд также может быть установлен для имитации отправки модулем батареи периодических команд зарядному устройству, тем самым обеспечивая нормальную связь между батареей и зарядным устройством. Зарядное напряжение, зарядный ток и температура также контролируются и записываются. Во время процесса зарядки файл журнала, созданный на основе записей мониторинга CAN Bus Charger Tool, также можно использовать для получения профиля зарядки. С помощью данных в файле журнала можно проанализировать весь процесс зарядки, чтобы обеспечить безопасность и эффективность зарядки аккумулятора.

Блок-схема

Посетите следующие веб-сайты, чтобы узнать больше о сферах применения зарядного устройства для литиевых батарей и характеристиках продукта: Зарядное устройство

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

Для правильной работы литий-ионных, литий-ионных аккумуляторов они должны быть правильно заряжены, в противном случае они не будут работать должным образом.


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

Включая аккумуляторную технологию: Обзор аккумуляторной технологии Определения и термины батареи NiCad NiMH Литий-ионный Свинцово-кислотные


Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы обеспечивают отличный уровень производительности.Чтобы получить от них максимальную пользу, 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 химический состав для заряда / разряда

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, а после полной зарядки они не позволяют или не требуют подзарядки тонким или плавающим током. Особенно важно иметь возможность точно определять состояние полного заряда, потому что ионно-литиевые 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 батареи 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 заряжались 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 литий-ионной батарее для зарядки и разрядки, включает:

  • Зарядный ток: Зарядный ток должен быть ограничен 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 зарядки, 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 необходимой способности тока / разряда.

  • 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 требуется 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, поскольку это может привести к серьезным повреждениям или даже взрыву.
  • Li-Ion от чрезмерной разрядки: Защита от чрезмерной разрядки 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, потому что в зарядном устройстве и аккумуляторном блоке могут использоваться различные элементы защиты в зависимости от конструкции.

Литий-ионные циклы заряда-разряда

Срок службы ионно-литиевых 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 Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Можно ли оставлять литий-ионную батарею в зарядном устройстве? Часто задаваемые вопросы по зарядке аккумуляторов и других вилочных погрузчиков

Что такое Battery SoC’ and 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 могут быть измерены 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 находилась в состоянии разомкнутой цепи в течение как минимум нескольких часов, в противном случае 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 ампер-часах.

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 получать полную зарядку при каждом подключении; по этой причине легче 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 для контроля их состояния заряда и отключения тока 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 настенным 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.

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, то есть 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 того, что у электромобиля может закончиться заряд во время поездки с водителем, который остался в затруднительном положении, долгое время упоминался как основная причина, 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 заряжено. Используется самонагревающаяся конструкция 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 элемент T LPF , переключатель замыкается, чтобы направить весь ток в никелевую фольгу для быстрого нагрева (~ 1 ° C / с) без проникновения в материалы анода (без покрытия). ( E ) Когда 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 элементы в европейском проекте Mat4Bat потеряли 75% емкости за 50 циклов с зарядкой 1 ° C 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 о сроке 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.

По сути, 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 аккумулятор 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 шарики (20), и по разработке новых электролитов (21, 22) и добавок (23).LiB, 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 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. Со структурой элемента 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 этих 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 аккумуляторных батарей 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 C - E . Ключом к этой стратегии является интеллектуальное разделение входного тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры элемента (T cell ). 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).Когда 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 выбрали 9,5 Ач графитовых / NMC622 ячеек. 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. Как правило, T LPF должен иметь минимальную температуру, при которой можно избежать образования 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, при включении переключателя было приложено напряжение 3,15 В, что немного ниже, чем OCV (∼3,2 В) (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 во время этапа нагрева составляет только 6,85 × 10 -3 Ач или 0,072% емкости элемента и, следовательно, несущественна. Из-за сильного тока, протекающего через Ni-фольгу, 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, достигая температуры поверхности около 27 ° C после 10-секундного периода покоя. Это означает, что быстрый нагрев не вызывает никаких опасений по поводу безопасности. После этого ячейка переключилась в режим заряда с использованием протокола постоянного тока 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 ( A ) напряжения 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 через Ni-фольгу, а ( F ) незначительный ток проходит через анодные материалы (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.

Как правило, 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 независимо 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: ( i ) 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 никелевой фольги 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 вне зависимости 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 поверхности и фольги Ni 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 падению 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 рукав, обернутый вокруг первой половины цилиндрического рулона с желе перед намоткой второй половины, таким образом помещая его 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. (Инжир.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 элемента 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 по времени при релаксации элемента после зарядки.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 ячейки LPF и циклической смены 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 SI, приложение , рис. S9 (один цикл) и SI, приложение , рис.S10 (10 циклов). Пропускная способность каждого цикла указана в SI Приложение , 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 циклического переключения несколько отличаются, сохранение емкости этих ячеек отображается 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 была снижена 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 устаревшего 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 температуре около комнатной.

Возможный подход к устранению литиевого покрытия в элементах HE заключается в дальнейшем увеличении 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.Отметим, 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 элемент графит / LiCoO 2 с анодом толщиной 77 мкм (1,6 × настоящей работы) потерял 30% емкости за 250 циклов с зарядкой 1 ° C при 25 ° C, но потерял 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 для предотвращения литиевого покрытия при скорости заряда 3,5 C ( SI Приложение , рис. S3). Дальнейшее повышение температуры до 45 ° C сократило срок 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 SI Приложение , 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

  • Вклад авторов: X.-G.Y., G.Z., and C.-Y.W. спланированное исследование; X.-G.Y., G.Z. и S.G. проводили исследования; X.-G.Y. и С.-Y.W. проанализированные данные; и X.-G.Y. и C.-Y.W. написал газету.

  • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

  • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

  • Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1807115115/-/DCSupplemental.

Лучшие зарядные устройства для литиевых аккумуляторов и зачем они вам нужны

Многие автофургоны обратились к передовой технологии литиевых батарей для удовлетворения своих потребностей в энергии по многим причинам.У них много преимуществ по сравнению с традиционными свинцово-кислотными батареями глубокого разряда. Они меньше весят, обладают большей мощностью, более длительным сроком службы, не требуют обслуживания и более экологичны. Вы также получите более быструю зарядку, чем свинцово-кислотные аккумуляторы.

Благодаря всем этим преимуществам, зарядное устройство для литиевых аккумуляторов внезапно становится незаменимым. Давай узнаем почему!

Что такое зарядное устройство для литиевой батареи?

Подобно свинцово-кислотной системе зарядки, зарядное устройство для литиевых аккумуляторов представляет собой устройство ограничения напряжения, которое способствует безопасной зарядке аккумуляторов.Но на этом сходство в значительной степени заканчивается.

Эти два типа батарей имеют разный химический состав для выработки энергии, поэтому им нужны соответствующие зарядные устройства, чтобы удовлетворить эти химические потребности. Зарядные устройства для литиевых батарей могут безопасно заряжать литиевые батареи при гораздо более высоком напряжении (перевод: более быстрая зарядка!). В то же время они обеспечивают химическое взаимодействие в течение более длительного срока службы (перевод: меньше заменяемых батарей).

Можно ли зарядить литиевую батарею обычным зарядным устройством?

А ты можешь? Абсолютно.Тебе следует? Этот вопрос заслуживает более подробного ответа.

Если вы использовали обычное зарядное устройство, литиевая батарея заряжалась. Однако он заряжался бы намного медленнее. Свинцово-кислотные зарядные устройства конструктивно используют более низкое напряжение. Если бы они не ограничивали напряжение значительно, батареи могли бы перегреться, что привело бы к возгоранию или даже взрыву! Но это еще не все.

При выборе свинцово-кислотных зарядных устройств по сравнению с литиевыми, определите диапазон напряжений двух аккумуляторов. Свинцово-кислотный аккумулятор в состоянии покоя полностью зарядится в 12.6В-12,8В. В состоянии покоя литиевая батарея не будет полностью заряжена, пока не достигнет 13,3–13,4 В.

Поскольку свинцово-кислотные зарядные устройства должны использовать более низкое напряжение для зарядки аккумуляторов, они могут заполнить только около 80% литиевой батареи, что нехорошо для батареи (ни для RVer, нуждающегося в энергии!). Он подчеркивает химический состав лития и сокращает срок службы батареи.

Таким образом, вам не только потребуется намного больше времени для зарядки с помощью обычного свинцово-кислотного зарядного устройства, но вы также повредите свои литиевые батареи.Эти проблемы бросают вызов двум лучшим преимуществам литиевых батарей!

TrendingTop 5 сожалений о покупке дома на колесах

Зачем нужно зарядное устройство для литиевой батареи

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

заряжает соответствующие аккумуляторы в пять раз быстрее, чем свинцово-кислотные зарядные устройства. Если этого недостаточно для поддержки этого обновления, давайте рассмотрим еще несколько факторов.

Напряжение свинцово-кислотных аккумуляторов глубокого цикла постоянно падает по мере разряда, а также при увеличении нагрузки.

Это не относится к литий-ионным батареям, которые могут обеспечивать пиковую мощность, а также постоянное напряжение независимо от нагрузки. Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов способствует повышению эффективности аккумулятора и процессу хранения.

Как упоминалось ранее, диапазон напряжения свинцово-кислотных аккумуляторов по сравнению с литиевыми батареями имеет значение. Поскольку свинцово-кислотный аккумулятор полностью заряжен при напряжении 12,7–12,8 В, большинство свинцово-кислотных зарядных устройств не будут снова начинать массовую зарядку, пока заряд аккумулятора не упадет ниже 12,5–12,7 В. Итак, если вы используете свинцово-кислотное зарядное устройство для литиевой батареи, вам придется израсходовать почти всю накопленную энергию литиевой батареи, прежде чем свинцово-кислотное зарядное устройство снова начнет ее заряжать.

Как это выглядит для среднего RVer? Давайте проиллюстрируем это на примере, относящемся к солнечной зарядке.

Даже если солнце ярко светит, свинцово-кислотный солнечный контроллер заряда не начнет заряжать литиевую батарею, пока заряд не упадет в достаточной степени. Он будет продолжать заряжаться, и вы потеряете возможность подзаряжать свои батареи в светлое время суток!

Это лишь один из многих примеров, показывающих, что вам нужно зарядное устройство для литиевых батарей, если вы используете литиевые батареи.

На что обращать внимание при выборе зарядного устройства для литиевой батареи

При выборе зарядного устройства для литиевой батареи необходимо учитывать несколько факторов.

TrendingTop 5 сожалений о покупке подписки на тысячу трейлов

Во-первых, убедитесь, что входное напряжение (величина напряжения, которую вы собираетесь сразу подать в аккумуляторную батарею) не превышает того, что может выдержать конкретное зарядное устройство. В противном случае это приведет к повреждению внутренних компонентов.

Дополнительно проверьте выходное напряжение зарядного устройства, которое должно быть совместимо с аккумулятором.Регулировка напряжения жизненно важна, потому что литиевые батареи чувствительны к перенапряжению.

Затем рассмотрите рейтинг вашей батареи / батарей в ампер-часах. Вы не хотите покупать зарядное устройство, у которого номинальная мощность в ампер-часах ниже, чем у вашей батареи.

Наконец, подумайте о процессе охлаждения зарядного устройства и стоимости батарей, потому что стоимость всегда имеет значение! Вам нужна литиевая батарея и зарядное устройство высочайшего качества, которые вы можете себе позволить.

Лучшие зарядные устройства для литиевых аккумуляторов

Теперь, когда у вас есть элементарное представление о функциях зарядного устройства для литиевых батарей и его преимуществах, пора отправиться за покупками.Вот наши основные рекомендации:

Зарядное устройство для литиевых батарей Progressive Dynamics

Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов Progressive Dynamics PD9160ALV - это хорошо зарекомендовавший себя преобразователь / зарядное устройство на 60 А. Он обеспечивает отфильтрованное питание постоянного тока, обеспечивая правильное управление литиевой батареей.

Это устройство ограничивает ток электроникой для автоматического снижения выходного напряжения. В свою очередь, это предотвращает перегрев и повреждение компонентов. Он также использует автоматическую тепловую защиту для снижения выходной мощности зарядного устройства до безопасного уровня, если температура устройства слишком высока.

Это зарядное устройство обеспечивает зарядку при постоянном токе / постоянном напряжении (CC / CV) в соответствии с рекомендациями производителей литиевых батарей. Вы можете подключать его как параллельно, так и последовательно, и он оснащен надежным охлаждающим вентилятором, который работает в условиях высоких нагрузок.

TrendingСколько может тянуть Dodge Ram 3500?

Рецензенты отмечают, что установка этого устройства очень проста с двумя простыми проводными соединениями.

Розничная цена этого устройства составляет около 220 долларов.

Зарядное устройство Victron BlueSmart IP65

Victron Blue Smart IP65 имеет встроенный BlueTooth, поэтому вы можете легко контролировать его как внутри, так и снаружи вашего оборудования.Это мощное водонепроницаемое зарядное устройство весом менее двух фунтов имеет семиступенчатый алгоритм зарядки. Это увеличивает производительность вашего аккумулятора / аккумуляторов, сохраняя при этом их работоспособность.

При подключении к сильно разряженной батарее это зарядное устройство будет принудительно подавать на нее слабый ток, пока не будет достигнуто надлежащее напряжение. После этого возобновится обычная зарядка.

Это зарядное устройство поставляется с проушинами / кольцевыми клеммами и зажимами «крокодил» для легкого подключения.

Рецензентам нравится функциональность приложения Victron, которая позволяет просматривать историю циклов зарядного устройства.Вы увидите гистограмму, и нажатие на любую из полос покажет вам продолжительность и общее количество А (ампер-часов) на каждом этапе!

Розничная цена BlueSmart IP65 составляет около 150 долларов.

Интеллектуальное зарядное устройство Orion TR

Orion TR Smart Charger - еще одно трехступенчатое зарядное устройство (накопительное, абсорбирующее и плавающее) с BlueTooth от Victron Energy. Он подходит для систем 12 В или 24 В, так что вы можете использовать его как со свинцово-кислотными, так и с литиевыми батареями.

Victron делает эти блоки доступными до 400 Вт, и вы можете объединить несколько блоков для увеличения выходной мощности.

Лучше всего то, что вы можете удаленно контролировать, программировать и управлять им через Bluetooth.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *