4.4. Заряд литий-ионных батарей
Зарядные устройства литий-ионных батарей по принципу работы подобны зарядным устройствам свинцово-кислотных батарей — это устройства с ограничением напряжения заряда. Отличия состоят в более высоком напряжении элемента литий-ионной батареи, меньших допустимых отклонениях напряжения заряда и отсутствии необходимости компенсационного заряда (струйной подзарядки) по достижении батареей состояния полного заряда.
В то время как при заряде свинцово-кислотных батарей допускается довольно гибкое определение напряжения отсечки (конца заряда), к величине напряжения отсечки при заряде литий-ионных батарей предъявляются жесткие требования: оно должно быть строго определенного значения.
В начальный период, когда только появились литий-ионные батареи, использующие графитовую систему, требовалось ограничение напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Хотя использование более высокого напряжения позволяет увеличить энергетическую плотность, окислительные процессы, происходившие в элементах такого типа при напряжениях, превышающих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток устранили за счет применения химических добавок, и в настоящее время литий-ионные элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет всего лишь около + 0,05 В на элемент.
|
|
Литий-ионные батареи промышленного и военного назначения должны иметь больший срок службы, чем батареи для коммерческого применения. Поэтому для них пороговое напряжение конца заряда составляет 3,90 В на элемент. Хотя энергетическая плотность (соотношение кВтч/кг) у таких батарей ниже, увеличенный срок службы при небольших размерах, весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность ставят литий-ионные батареи вне конкуренции.
При заряде литий-ионных батарей током 1С время заряда доставляет 2—3 ч. В процессе заряда они не нагреваются. Батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно снижается и составляет примерно 3 % от начального тока заряда (рис. 4.6).
102
Литий-ионные и литий-полимерные батареи
Литий-ионные и литий-полимерные батареи
103
2000 |
5,0 |
1600 |
4,5 |
Напряжение заряда |
1200 |
4,0 |
Ток заряда |
800 |
3,5 |
400 |
3,0 |
0 |
2,0 |
2,5 |
1.5 |
1,0 |
Рис. 4.6. График цикла заряда литий-ионного аккумулятора |
Если на рис. 4.6 представлен типовой график заряда одного из типов литий-ионных аккумуляторов, производимых компанией Panasonic, то на рис. 4.7 процесс заряда представлен более наглядно. При увеличении тока заряда литий-ионной батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает быстрее, этап подзарядки после окончания первого этапа цикла заряда длится дольше.
В некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние «готово» сразу после завершения этапа 1. В этой точке она будет заряжена примерно на 70 %, и после этого возможна ее подзарядка. Способ струйной подзарядки для литий-ионных аккумуляторов неприменим из-за того, что они не способны поглощать |
Напряжение |
4,20 В |
Периодический компенсирующий заряд. Проводят в течение срока хранения примерно через каждые 500 ч |
Макс, напряжение зарада |
Макс, ток заряда |
ЭТАП 3 Время, ч |
ЭТАП 2 |
ЭТАП1 |
2 |
3 |
Момент прекращения заряда. Наступает тогда, когда величина тока заряда уменьшится до значения 3% от начального |
Через аккумулятор протекает макс, ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения (4,2 В) |
Макс, напряжение на аккумуляторе достигнуто. Ток заряда постепенно уменьшается до тех пор, пока он полностью не зарядится |
Рис. 4.7. Обобщенный график цикла заряда литий-ионных аккумуляторов |
0,5 |
Ток |
1 |
2,5
0
Время, ч
энергию при перезаряде. Более того, струйная подзарядка может вызвать металлизацию лития, что делает работу аккумулятора нестабильной. Напротив, короткая подзарядка постоянным током способна компенсировать небольшой саморазряд батареи и компенсировать потери энергии, вызванные работой ее устройства защиты. В зависимости от типа зарядного устройства и степени саморазряда батареи такая подзарядка может проводиться через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует проводить при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и завершать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент.
А что может произойти при случайном перезаряде литий-ионной батареи? Батареи этого типа могут безопасно работать только при нормальном напряжении заряда. Если оно будет выше нормального, батарея может работать нестабильно и выйти из строя. Это происходит потому, что при превышении значения напряжения заряда 4,30 В/элемент начинает происходить металлизация анода литием, а на катоде происходит активное выделение кислорода, и температура батареи при этом растет.
Безопасной работе литий-ионных батарей должно уделяться серьезное внимание. В батареях коммерческого назначения имеются специальные устройства защиты, предупреждающие превышение напряжения заряда выше определенного порогового значения, которое, как было уже отмечено выше, составляет 4,30 В/элемент. Дополнительный элемент защиты обеспечивает прекращение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Наиболее совершенные по конструкции батареи имеют еще один элемент защиты — механический выключатель, который срабатывает при повышении внутрикорпусного давления батареи. Встроенная система контроля напряжения настроена на два напряжения отсечки — верхнего и нижнего порогов.
Есть и исключения — литий-ионные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию, при перезаряде процессы металлизации анода и выделения кислорода на катоде происходят настолько вяло, что стало возможным отказаться от использования устройств защиты.
Литий-ионные батареи имеют отличные зарядные характеристики как при высоких, так и при низких температурах. Некоторые из них можно заряжать током 1С при температурах от 0 до 45 °С. Большинство же литий-ионных батарей при низких тем-
|
|
104
Литий-ионные и литий-полимерные батареи
Литий-ионные и литий-полимерные батареи
105
пературах — от 5 °С и ниже — «предпочитает» меньшие токи заряда. При этом следует избегать заряда при температуре замерзания, т. к. на аноде происходит осаждение металлического лития.
Категорически запрещается разбирать литий-ионные аккумуляторы. В случае протечки электролита и его попадания на открытые участки кожи или в глаза следует немедленно промыть их чистой водой и делать это в течение 15 мин. После чего следует обратиться к врачу.