BU-409: Ładowanie ogniw litowo-jonowych.
Tematyka artykułu:
Zwiększenie żywotności ogniw litowo-jonowych przez dobór właściwej metodyki ładowania.
Proces ładowania
Ładowanie i rozładowywanie ogniwa to reakcja chemiczna, ale w przypadku ogniw litowo-jonowych jest pewien wyjątek. Naukowcy zajmujący się akumulatorami mówią o energiach wchodzących i wychodzących z akumulatora w ramach ruchu jonów między anodą i katodą. To twierdzenie jest poparte wieloma badaniami. Z naukowego punktu widzenia ogniwo Li-ion mogłoby żyć wiecznie. Tak nie jest i naukowcy za główną przyczyną uznają tendencję jonów do grzęźnięcia w pułapkach. Znaczącą rolę odgrywają również, tak jak w przypadku wszystkich systemów baterii, korozja wewnętrzna i procesy wewnętrzne, znane również jako szkodliwe reakcje w elektrolicie i elektrodach.
Ładowarka dedykowana dla ogniw Li-ion to urządzenie ograniczające prąd ładowania i napięcie ładowania. Jest trochę podobna do ładowarek ogniw kwasowo-ołowiowych. Różnice leżą w wyższym napięciu na ogniwo, węższej tolerancji napięcia i braku doładowywania małym prądem po uzyskaniu stanu pełnego naładowania. Akumulator kwasowo-ołowiowy oferuje pewną elastyczność w kwestii napięcia końcowego ładowania, nazywanego też napięciem odcięcia. Producenci ogniwa litowo-jonowych są bardzo rygorystyczni w tej kwestii, ponieważ ogniwa Li-ion bardzo źle znoszą przeładowania. Tak zwana cudowna ładowarka, która obiecuje przedłużyć żywotność baterii i uzyskać dodatkową pojemność dzięki impulsom i innym sztuczkom nie istnieje. Li-ion jest "czystym" systemem i przyjmuje tylko tyle ładunku, na ile pozwala konstrukcja oraz stan akumulatora.
Ładowanie ogniw litowo-jonowych z domieszką kobaltu
Zwykle ładuje się do 4,20 V/ogniwo akumulatory Li-ion z tradycyjnymi materiałami katodowymi, np. kobalt, nikiel, mangan i aluminium. Tolerancja wynosi +/- 50 mV/ogniwo. Niektóre odmiany oparte na niklu ładuje się do 4,10 V/ogniwo. Akumulatory litowo-jonowe o dużej pojemności mogą osiągać napięcie 4,30 V/ogniwo i więcej. Zwiększenie napięcia zwiększa pojemność, ale wykraczanie poza specyfikację produktu niszczy ogniwa i zagraża bezpieczeństwu. Obwody ochronne wbudowane w pakiet nie pozwalają na przekroczenie zadanego napięcia.
(Zobacz też: BU-304: Why are Protection Circuits Needed?)
Rysunek 1 pokazuje przebieg napięcia i prądu w procesie ładowania ogniwa litowo-jonowego, w którym można wyróżnić cztery etapy:
Etap 1 – Ładowanie stałym prądem - CC. Napięcie ładowania odpowiada napięciu ogniwa.
Etap 2 – Ładowanie stałym napięciem - CV. Prąd ładowania maleje.
Etap 3 – Zakończenie ładowania i przejście w stan gotowości, gdy osiągnięto napięcie nominalne, a prąd ładowania spada do ustalonego poziomu, np. 3% prądu nominalnego - Ready.
Etap 4 – Ładowanie ogniwa częściowo rozładowanego. Zachodzi tylko przy spadku napięcia poniżej określonego progu, np. 3,6 V. Nie stosuje się tutaj ciągłego doładowania niewielkim prądem jak to ma miejsce w procesie ładowania ogniw NiMH lub kwasowo-ołowiowych.
Rysunek 1. Etapy ładowania ogniwa litowo-jonowego.
Źródło: Cadex
Zalecana szybkość ładowania ogniwa wynosi od 0,5C do 1C. Całkowity czas ładowania wynosi około 2-3 godzin. Producenci tych ogniw zalecają ładowanie z szybkością 0,8 C lub mniej, aby przedłużyć żywotność baterii. Dla większości Power Cells z niewielkim obciążeniem może przyjąć wyższą wartość dla wskaźnika C. Wydajność ładowania wynosi około 99 procent, a ogniwo pozostaje chłodne podczas ładowania.
Niektóre pakiety Li-ion mogą osiągać wzrost temperatury o około 5°C po osiągnięciu pełnego naładowania. Może to być spowodowane obwodem zabezpieczającym i/lub podwyższonym oporem wewnętrznym. Należy przerwać korzystanie z akumulatora lub ładowarki, jeśli temperatura wzrasta powyżej 10ºC przy umiarkowanych prędkościach ładowania, np. 0,8C.
Pełne naładowanie występuje, gdy akumulator osiągnie próg napięcia, a prąd spadnie do 3% nominalnego prądu ładowania zależnego od pojemności ogniwa oraz wskaźnika C. Istotne jest, aby ładowarka mierzyła czas każdej fazy procesu ładowania, a przynajmniej całkowity czas ładowania, ponieważ akumulator jest również uważany za w pełni naładowany, jeśli wartość prądu nie spada przez dłuższy czas, np. 30 minut. Przyczyną tego stanu może być wyższy prąd samorozładowania.
(Zobacz też: BU-802b: What does Elevated Self-discharge Do?)
Zwiększenie prądu ładowania nie przyspiesza znacząco stanu pełnego naładowania. Akumulator szybciej osiąga napięcie nominalne, ale ładowanie do stanu nasycenia trwa odpowiednio dłużej. Przy wyższym prądzie, pierwszy etap jest krótszy, ale drugi etap będzie trwał dłużej. Wysoki prąd będzie szybko ładować akumulator do około 70%.
Akumulator Li-ion nie musi być w pełni naładowany, jak to jest w przypadku kwasowo-ołowiowych, ani nie jest to pożądane. W rzeczywistości lepiej jest nie w pełni naładować, ponieważ wysokie napięcie przyspiesza degradację akumulatora. Wybranie niższego progu napięcia lub całkowite wyeliminowanie drugiego etapu ładowania, wydłuża żywotność baterii, kosztem czasu pracy w jednym cyklu. Ładowarki do większości produktów użytkowych są zaprogramowane do uzyskania maksymalnej pojemność i nie można zmienić ich charakterystyk. Żywotność ogniw jest postrzegana jako mniej istotna, względem czasu pracy na jednym ładowaniu; przynajmniej w początkowym okresie użytkowania produktu.
Niektóre tańsze ładowarki mogą korzystać z uproszczonej metody "ładowania i uruchamiania", która ładuje baterię litowo-jonową w ciągu jednej godziny lub mniej, bez przechodzenia do etapu ładowania stałym napięciem (etap 2. - CV). "Gotowy" pojawia się, gdy akumulator osiągnie próg napięcia na etapie ładowania stałym prądem (etap 1. - CC). Stan naładowania (SoC) w tym momencie wynosi około 85 procent, co może być wystarczające dla wielu użytkowników i jest korzystne dla żywotności ogniw.
Niektóre ładowarki przemysłowe ustawiają próg napięcia ładowania na niższym poziomie, aby przedłużyć żywotność baterii. Tabela 2 ilustruje szacowane pojemności, gdy ogniwa są ładowane do różnych progów napięcia z uwzględnieniem etapu nasycenia (CV) i bez niego.
(Zobacz też BU-808: Jak wydłużyć czas życia akumulatorów litowo-jonowych?)
Tabela 1. Pojemność ogniwa Li-ion w funkcji napięcia ładowania i obecności fazy nasycania (CV).
Stosowanie fazy nasycania przy zadanym napięciu, zwiększa pojemność o około 10% kosztem ilości cykli ogniwa z uwagi na działanie podwyższonego napięcia przez dłuższy czas.
* Wyniki mogą się różnić.
W pierwszym etapie ładowania (CC), napięcie akumulatora szybko rośnie, ilość ładunku zgromadzonego w akumulatorze również się zwiększa; można przyjąć liniowo. Takie zachowanie podczas ładowania jest typowe dla wszystkich akumulatorów. Uzyskanie pełnej pojemności ogniwa wymaga znacznie więcej czasu, co jest widoczne w drugim etapie (CV). Im wyższy jest prąd ładowania, tym dłużej trwa etap CV. Niskie temperatury lub ładowanie ogniwa o wysokiej rezystancji wewnętrznej wzmacnia ten efekt. Zgromadzony ładunek wykazuje pewną bezwładność w procesie ładowania – zmienia się z opóźnieniem wynikającym z procesu przemieszczania jonów oraz procesów chemicznych zachodzących w ogniwie, co obserwowane jest jako zmiana prądu ładowania.
Rysunek 2. Prąd, napięcie oraz pojemność w funkcji czasu ładowanego ogniwa Li-ion.
Źródło: Cadex
Oszacowanie poziomu naładowania (State of Charge - SoC) przez odczyt napięcia akumulatora ładującego jest niepraktyczne. Mierzenie napięcia obwodu otwartego (Open Circuit Voltage - OCV) po tym, jak akumulator odpoczął przez kilka godzin, jest lepszym wskaźnikiem. Podobnie jak w przypadku wszystkich akumulatorów, temperatura wpływa na OCV, podobnie jak aktywny materiał Li-ion. Poziom naładowania smartfonów, laptopów i innych urządzeń szacuje się na podstawie pomiarów ładunku zgromadzonego podczas ładowania, np. za pomocą Coulomb counter.
(Zobacz też BU-903: How to Measure State-of-charge)
Ogniwo Li-ion nie może wchłonąć zbyt dużego ładunku. Po pełnym naładowaniu prąd ładowania musi zostać odcięty. Ciągły przepływ prądu ładowania powodowałby wydzielanie metalicznego litu i zagrażał bezpieczeństwu. Aby zminimalizować ryzyko tych procesów, akumulator litowo-jonowy powinien znajdować się w punkcie szczytowego napięcia, tak krótko, jak to możliwe.
Po zakończeniu ładowania napięcie akumulatora zaczyna spadać. To zmniejsza stres napięciowy. Z biegiem czasu napięcie osiągnie wartość od 3,70 V/ogniwo do 3,90 V/ogniwo. Należy pamiętać, że akumulator litowo-jonowy, który otrzymał w pełni nasycony ładunek, utrzyma podwyższone napięcie dłużej niż akumulator, który był ładowany tylko metodą stałego prądu.
Gdy akumulatory litowo-jonowe muszą pozostać w ładowarce w celu zapewnienia gotowości operacyjnej, niektóre ładowarki ładują krótki ładunek uzupełniający, aby skompensować małe samorozładowanie akumulatora i jego obwodu ochronnego. Ładowarka może się załączyć, gdy napięcie w obwodzie otwartym spadnie do 4,05 V/ogniwo i wyłączy się ponownie przy napięciu 4,20 V/ogniwo. Ładowarki przeznaczone do utrzymania gotowości operacyjnej lub trybu oczekiwania często pozwalają na spadek napięcia akumulatora do 4,00 V/ogniwo, a ładowanie realizują do napięcia 4,05 V/ogniwo zamiast pełnego 4,20 V/ogniwo. Zmniejsza to stres związany z napięciem i wydłuża żywotność akumulatora.
Niektóre urządzenia przenośne pozostają włączone podczas ładowania. Prąd pobierany przez urządzenie nazywany jest ładunkiem pasożytniczym i może zniekształcić cykl ładowania. Ponieważ ładunki pasożytnicze indukują mini-cykle (szczególnie w fazie CV), producenci akumulatorów zalecają unikanie lub minimalizację występowania ładunków pasożytniczych podczas ładowania. Nie zawsze można tego uniknąć. Przykładem jest laptop używany w połączeniu ze stacją dokującą. Akumulator może zostać naładowany do 4,20 V/ogniwo, następnie częściowo rozładowany przez użytkownika i ponownie zainstalowany w stacji dokującej, co powoduje kolejne ładowanie. Poziom stresu na akumulatorze jest wysoki, ponieważ cykle występują przy progu wysokiego napięcia. Jeżeli dochodzi do tego podwyższona temperatura, wtedy ogniwo ulega szybkiemu zużyciu. Bezpieczniej jest korzystać z urządzenie rozładowując akumulator do poziomu 20%-25% i dopiero wtedy rozpoczynać kolejny cykl ładowania.
Urządzenie przenośne powinno być wyłączone podczas ładowania. Dzięki temu akumulator bez przeszkód osiąga ustawiony próg napięcia i punkt nasycenia. Ładunek pasożytniczy myli ładowarkę, wymuszając wyższe napięcie akumulatora i uniemożliwiając wykrycie spadku prądu w fazie nasycenia przez pobieranie prądu upływowego. Ogniwo może być w pełni naładowane, ale panujące warunki spowodują ciągłe ładowanie, powodując stres napięciowy.
Ładowanie ogniw litowo-jonowych bez domieszki kobaltu
Tradycyjne ogniwa litowo-jonowe mają nominalne napięcie 3,60 V i maksymalne napięcie ładowania 4,20 V. Ogniwa litowo-fosforanowe (LiFePO) są inne. Napięciem nominalnym ogniwa jest 3,20 V, a maksymalnym napięciem ładowania jest 3,65 V. Stosunkowo nowe są ogniwa oparte o tytanian litu (LTO) o nominalnym napięciu ogniwa 2,40 V i maksymalnym napięciu ładowaniu 2,85 V.
(Zobacz też: BU-205: Types of Lithium-ion
Ładowarki do ogniw litowo-jonowych bez domieszki kobaltu nie są kompatybilne ze zwykłymi ogniwami litowo-jonowym z napięciem nominalnym 3,60 V. Być może zostaną wprowadzone przepisy umożliwiające identyfikację systemów i zapewnienie prawidłowego napięcia ładowania. Należy zwracać uwagę na właściwe dopasowanie ładowarki do ogniw. Akumulator litowo-jonowy o napięciu nominalnym 3,60 V w ładowarce zaprojektowanej dla ogniw LiFePO nie byłby wystarczająco naładowany. Ogniwo LiFePO w zwykłej ładowarce zostanie zniszczone przez zbyt wysokie napięcie.
Nadmierne ładowanie ogniw litowo-jonowych
Ogniwo litowo-jonowe jest bezpieczne, gdy pracuje w wyznaczonym zakresie napięć roboczych. Jednak akumulator staje się niestabilny, jeśli napięcie wzrośnie powyżej 4,30 V/ogniwo, co spowoduje wytrącanie metalicznego litu na anodzie. Materiał katodowy staje się wtedy utleniaczem, traci stabilność, wytwarza dwutlenek węgla (CO2) i ciśnienie w komorze wzrasta. Jeżeli proces ładowania trwa, to urządzenie odpowiedzialne za bezpieczeństwo akumulatora rozłącza obwód prądowy przy ciśnieniu 1000-1380 kPa. Jeżeli ciśnienie nadal rośnie, to w niektórych ogniwach, przy ~3450 kPa otwiera się zawór bezpieczeństwa, a wylatujący gaz może wywołać pożar.
(Zobacz też: BU-304b: Making Lithium-ion Safe)
Odpowietrzanie ogniwa wiąże się z podwyższoną temperaturą. W pełni naładowane ogniwo ma niższą temperaturę zapłonu, a gaz wydostaje się szybciej niż z ogniwa, które jest częściowo naładowane. Wszystkie akumulatory litowe są bezpieczniejsze przy niższych poziomach naładowania, czyli zgromadzonej energii, dlatego przesyłając akumulatory Li-ion drogą lotniczą należy zadbać o uzyskanie stanu naładowania 30% zamiast pełnego naładowania.
(Zobacz też: BU-704a: Shipping Lithium-based Batteries by Air
Próg zapłonu dla ogniw Li-ion z domieszką kobaltu (LCO), przy pełnym naładowaniu, wynosi 130°C-150°C, dla ogniw kobaltowo-niklowo-manganowych (NMC) to 170°C-180ºC, a litowo-manganowych (LMO) wynosi około 250ºC. Ogniwa litowo-fosforanowe mają podobną lub lepszą stabilność temperaturową niż litowo-manganowe.
(Zobacz też: BU-304a: Safety Concerns with Li-ion oraz BU-304b: Making Lithium-ion Safe)
Akumulatory Li-ion nie są jedynym typem stwarzającym zagrożenie bezpieczeństwa w przypadku przeładowania. Akumulatory na bazie ołowiu i niklu również topią się i powodują pożar w przypadku niewłaściwego obchodzenia się z nimi. Najważniejszym sposobem zapobiegania wypadkom jest odpowiednio zaprojektowany sprzęt do ładowania, a pomiar temperatury jest jednym z podstawowych elementów zapewniającym niezawodność i bezpieczeństwo.
Podsumowanie
Ładowanie akumulatorów litowo-jonowych jest prostsze niż w przypadku systemów opartych na niklu. Obwód ładowania jest prosty; ograniczenia napięcia i prądu są łatwiejsze do zmierzenia niż analiza złożonych sygnatur napięcia, które zmieniają się wraz z wiekiem akumulatora. Proces ładowania może być przerywany, a Li-ion nie wymaga nasycenia, jak w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Daje to dużą korzyść dla magazynowania energii odnawialnej, takiej jak panel słoneczny i turbina wiatrowa, które nie zawsze mogą w pełni naładować akumulator. Brak ładowania podtrzymującego dodatkowo upraszcza ładowarkę. Wyrównująca ładowarka, jak jest wymagana w przypadku kwasu ołowiowego, nie jest konieczna w przypadku Li-ion.
Ładowarki do urządzeń powszechnego użytku oraz większość ładowarek używanych w przemyśle dla ładuje akumulator litowo-jonowy metodą CC+CV. Nie oferują one regulowanych napięć końcowych, które przedłużyłyby żywotność ogniw Li-ion poprzez obniżenie napięcia ładowania końcowego i przyjęcie krótszego czasu pracy. Producenci urządzeń uważają, że taka opcja skomplikowałaby ładowarkę. Wyjątkiem są pojazdy elektryczne i satelity, które unikają pełnego ładowania w celu osiągnięcia długiego okresu użytkowania.
Zobacz też: BU-1003: Electric Vehicle (EV) oraz BU-1001: Batteries in Industries
Zalecenia
- Wyłącz urządzenie lub odłącz obciążenie od akumulatora, aby umożliwić swobodny spadek prądu podczas nasycania. Ładunek pasożytniczy myli ładowarkę.
- Ładuj w umiarkowanej temperaturze. Nie ładuj ogniw w temperaturze ujemnej.
(Zobacz: BU-410: Charging at High and Low Temperatures)
- Ogniwo litowo-jonowe nie musi być w pełni naładowane. Ładowanie częściowe może być lepszą opcją, gdy trwałość ogniw jest ważniejsza od czasu pracy na jednym ładowaniu.
- Nie wszystkie ładowarki ładują do końca fazy CV. Akumulator może nie być w pełni naładowany po pojawieniu się sygnału "gotowości" w ładowarce. 100% naładowania na wskaźniku może być niezgodne z prawdą.
- Przerwij korzystanie z ładowarki i/lub baterii, jeśli bateria nadmiernie się nagrzeje.
- Przed przechowywaniem warto upewnić się, że akumulator nie jest rozładowany, ani naładowany do pełna. Optymalnie jest utrzymać 40%-50% SoC.
(Zobacz też: BU-702: How to Store Batteries)
Ostatnia aktualizacja oryginalnego artykułu: 2018.04.24
Ten artykuł jest tłumaczeniem materiału zawartego na stronie: BU-409: Charging Lithium-ion
Zapraszam do dyskusji w temacie.
Marek
Tematyka artykułu:
Zwiększenie żywotności ogniw litowo-jonowych przez dobór właściwej metodyki ładowania.
Proces ładowania
Ładowanie i rozładowywanie ogniwa to reakcja chemiczna, ale w przypadku ogniw litowo-jonowych jest pewien wyjątek. Naukowcy zajmujący się akumulatorami mówią o energiach wchodzących i wychodzących z akumulatora w ramach ruchu jonów między anodą i katodą. To twierdzenie jest poparte wieloma badaniami. Z naukowego punktu widzenia ogniwo Li-ion mogłoby żyć wiecznie. Tak nie jest i naukowcy za główną przyczyną uznają tendencję jonów do grzęźnięcia w pułapkach. Znaczącą rolę odgrywają również, tak jak w przypadku wszystkich systemów baterii, korozja wewnętrzna i procesy wewnętrzne, znane również jako szkodliwe reakcje w elektrolicie i elektrodach.
Ładowarka dedykowana dla ogniw Li-ion to urządzenie ograniczające prąd ładowania i napięcie ładowania. Jest trochę podobna do ładowarek ogniw kwasowo-ołowiowych. Różnice leżą w wyższym napięciu na ogniwo, węższej tolerancji napięcia i braku doładowywania małym prądem po uzyskaniu stanu pełnego naładowania. Akumulator kwasowo-ołowiowy oferuje pewną elastyczność w kwestii napięcia końcowego ładowania, nazywanego też napięciem odcięcia. Producenci ogniwa litowo-jonowych są bardzo rygorystyczni w tej kwestii, ponieważ ogniwa Li-ion bardzo źle znoszą przeładowania. Tak zwana cudowna ładowarka, która obiecuje przedłużyć żywotność baterii i uzyskać dodatkową pojemność dzięki impulsom i innym sztuczkom nie istnieje. Li-ion jest "czystym" systemem i przyjmuje tylko tyle ładunku, na ile pozwala konstrukcja oraz stan akumulatora.
Ładowanie ogniw litowo-jonowych z domieszką kobaltu
Zwykle ładuje się do 4,20 V/ogniwo akumulatory Li-ion z tradycyjnymi materiałami katodowymi, np. kobalt, nikiel, mangan i aluminium. Tolerancja wynosi +/- 50 mV/ogniwo. Niektóre odmiany oparte na niklu ładuje się do 4,10 V/ogniwo. Akumulatory litowo-jonowe o dużej pojemności mogą osiągać napięcie 4,30 V/ogniwo i więcej. Zwiększenie napięcia zwiększa pojemność, ale wykraczanie poza specyfikację produktu niszczy ogniwa i zagraża bezpieczeństwu. Obwody ochronne wbudowane w pakiet nie pozwalają na przekroczenie zadanego napięcia.
(Zobacz też: BU-304: Why are Protection Circuits Needed?)
Rysunek 1 pokazuje przebieg napięcia i prądu w procesie ładowania ogniwa litowo-jonowego, w którym można wyróżnić cztery etapy:
Etap 1 – Ładowanie stałym prądem - CC. Napięcie ładowania odpowiada napięciu ogniwa.
Etap 2 – Ładowanie stałym napięciem - CV. Prąd ładowania maleje.
Etap 3 – Zakończenie ładowania i przejście w stan gotowości, gdy osiągnięto napięcie nominalne, a prąd ładowania spada do ustalonego poziomu, np. 3% prądu nominalnego - Ready.
Etap 4 – Ładowanie ogniwa częściowo rozładowanego. Zachodzi tylko przy spadku napięcia poniżej określonego progu, np. 3,6 V. Nie stosuje się tutaj ciągłego doładowania niewielkim prądem jak to ma miejsce w procesie ładowania ogniw NiMH lub kwasowo-ołowiowych.
Rysunek 1. Etapy ładowania ogniwa litowo-jonowego.
Źródło: Cadex
Zalecana szybkość ładowania ogniwa wynosi od 0,5C do 1C. Całkowity czas ładowania wynosi około 2-3 godzin. Producenci tych ogniw zalecają ładowanie z szybkością 0,8 C lub mniej, aby przedłużyć żywotność baterii. Dla większości Power Cells z niewielkim obciążeniem może przyjąć wyższą wartość dla wskaźnika C. Wydajność ładowania wynosi około 99 procent, a ogniwo pozostaje chłodne podczas ładowania.
Niektóre pakiety Li-ion mogą osiągać wzrost temperatury o około 5°C po osiągnięciu pełnego naładowania. Może to być spowodowane obwodem zabezpieczającym i/lub podwyższonym oporem wewnętrznym. Należy przerwać korzystanie z akumulatora lub ładowarki, jeśli temperatura wzrasta powyżej 10ºC przy umiarkowanych prędkościach ładowania, np. 0,8C.
Pełne naładowanie występuje, gdy akumulator osiągnie próg napięcia, a prąd spadnie do 3% nominalnego prądu ładowania zależnego od pojemności ogniwa oraz wskaźnika C. Istotne jest, aby ładowarka mierzyła czas każdej fazy procesu ładowania, a przynajmniej całkowity czas ładowania, ponieważ akumulator jest również uważany za w pełni naładowany, jeśli wartość prądu nie spada przez dłuższy czas, np. 30 minut. Przyczyną tego stanu może być wyższy prąd samorozładowania.
(Zobacz też: BU-802b: What does Elevated Self-discharge Do?)
Zwiększenie prądu ładowania nie przyspiesza znacząco stanu pełnego naładowania. Akumulator szybciej osiąga napięcie nominalne, ale ładowanie do stanu nasycenia trwa odpowiednio dłużej. Przy wyższym prądzie, pierwszy etap jest krótszy, ale drugi etap będzie trwał dłużej. Wysoki prąd będzie szybko ładować akumulator do około 70%.
Akumulator Li-ion nie musi być w pełni naładowany, jak to jest w przypadku kwasowo-ołowiowych, ani nie jest to pożądane. W rzeczywistości lepiej jest nie w pełni naładować, ponieważ wysokie napięcie przyspiesza degradację akumulatora. Wybranie niższego progu napięcia lub całkowite wyeliminowanie drugiego etapu ładowania, wydłuża żywotność baterii, kosztem czasu pracy w jednym cyklu. Ładowarki do większości produktów użytkowych są zaprogramowane do uzyskania maksymalnej pojemność i nie można zmienić ich charakterystyk. Żywotność ogniw jest postrzegana jako mniej istotna, względem czasu pracy na jednym ładowaniu; przynajmniej w początkowym okresie użytkowania produktu.
Niektóre tańsze ładowarki mogą korzystać z uproszczonej metody "ładowania i uruchamiania", która ładuje baterię litowo-jonową w ciągu jednej godziny lub mniej, bez przechodzenia do etapu ładowania stałym napięciem (etap 2. - CV). "Gotowy" pojawia się, gdy akumulator osiągnie próg napięcia na etapie ładowania stałym prądem (etap 1. - CC). Stan naładowania (SoC) w tym momencie wynosi około 85 procent, co może być wystarczające dla wielu użytkowników i jest korzystne dla żywotności ogniw.
Niektóre ładowarki przemysłowe ustawiają próg napięcia ładowania na niższym poziomie, aby przedłużyć żywotność baterii. Tabela 2 ilustruje szacowane pojemności, gdy ogniwa są ładowane do różnych progów napięcia z uwzględnieniem etapu nasycenia (CV) i bez niego.
(Zobacz też BU-808: Jak wydłużyć czas życia akumulatorów litowo-jonowych?)
Tabela 1. Pojemność ogniwa Li-ion w funkcji napięcia ładowania i obecności fazy nasycania (CV).
| Napięcie
V/ogniwo | Pojemność uzyskana z ogniwa
(tylko CC)* | Czas ładowania | Pojemność uzyskana z ogniwa nasyconego
(CC+CV) |
| 3,80 | ~40% | 120 min | ~65% |
| 3,90 | ~60% | 135 min | ~75% |
| 4,00 | ~70% | 150 min | ~80% |
| 4,10 | ~80% | 165 min | ~90% |
| 4,20 | ~85% | 180 min | 100% |
* Wyniki mogą się różnić.
W pierwszym etapie ładowania (CC), napięcie akumulatora szybko rośnie, ilość ładunku zgromadzonego w akumulatorze również się zwiększa; można przyjąć liniowo. Takie zachowanie podczas ładowania jest typowe dla wszystkich akumulatorów. Uzyskanie pełnej pojemności ogniwa wymaga znacznie więcej czasu, co jest widoczne w drugim etapie (CV). Im wyższy jest prąd ładowania, tym dłużej trwa etap CV. Niskie temperatury lub ładowanie ogniwa o wysokiej rezystancji wewnętrznej wzmacnia ten efekt. Zgromadzony ładunek wykazuje pewną bezwładność w procesie ładowania – zmienia się z opóźnieniem wynikającym z procesu przemieszczania jonów oraz procesów chemicznych zachodzących w ogniwie, co obserwowane jest jako zmiana prądu ładowania.
Rysunek 2. Prąd, napięcie oraz pojemność w funkcji czasu ładowanego ogniwa Li-ion.
Źródło: Cadex
Oszacowanie poziomu naładowania (State of Charge - SoC) przez odczyt napięcia akumulatora ładującego jest niepraktyczne. Mierzenie napięcia obwodu otwartego (Open Circuit Voltage - OCV) po tym, jak akumulator odpoczął przez kilka godzin, jest lepszym wskaźnikiem. Podobnie jak w przypadku wszystkich akumulatorów, temperatura wpływa na OCV, podobnie jak aktywny materiał Li-ion. Poziom naładowania smartfonów, laptopów i innych urządzeń szacuje się na podstawie pomiarów ładunku zgromadzonego podczas ładowania, np. za pomocą Coulomb counter.
(Zobacz też BU-903: How to Measure State-of-charge)
Ogniwo Li-ion nie może wchłonąć zbyt dużego ładunku. Po pełnym naładowaniu prąd ładowania musi zostać odcięty. Ciągły przepływ prądu ładowania powodowałby wydzielanie metalicznego litu i zagrażał bezpieczeństwu. Aby zminimalizować ryzyko tych procesów, akumulator litowo-jonowy powinien znajdować się w punkcie szczytowego napięcia, tak krótko, jak to możliwe.
Po zakończeniu ładowania napięcie akumulatora zaczyna spadać. To zmniejsza stres napięciowy. Z biegiem czasu napięcie osiągnie wartość od 3,70 V/ogniwo do 3,90 V/ogniwo. Należy pamiętać, że akumulator litowo-jonowy, który otrzymał w pełni nasycony ładunek, utrzyma podwyższone napięcie dłużej niż akumulator, który był ładowany tylko metodą stałego prądu.
Gdy akumulatory litowo-jonowe muszą pozostać w ładowarce w celu zapewnienia gotowości operacyjnej, niektóre ładowarki ładują krótki ładunek uzupełniający, aby skompensować małe samorozładowanie akumulatora i jego obwodu ochronnego. Ładowarka może się załączyć, gdy napięcie w obwodzie otwartym spadnie do 4,05 V/ogniwo i wyłączy się ponownie przy napięciu 4,20 V/ogniwo. Ładowarki przeznaczone do utrzymania gotowości operacyjnej lub trybu oczekiwania często pozwalają na spadek napięcia akumulatora do 4,00 V/ogniwo, a ładowanie realizują do napięcia 4,05 V/ogniwo zamiast pełnego 4,20 V/ogniwo. Zmniejsza to stres związany z napięciem i wydłuża żywotność akumulatora.
Niektóre urządzenia przenośne pozostają włączone podczas ładowania. Prąd pobierany przez urządzenie nazywany jest ładunkiem pasożytniczym i może zniekształcić cykl ładowania. Ponieważ ładunki pasożytnicze indukują mini-cykle (szczególnie w fazie CV), producenci akumulatorów zalecają unikanie lub minimalizację występowania ładunków pasożytniczych podczas ładowania. Nie zawsze można tego uniknąć. Przykładem jest laptop używany w połączeniu ze stacją dokującą. Akumulator może zostać naładowany do 4,20 V/ogniwo, następnie częściowo rozładowany przez użytkownika i ponownie zainstalowany w stacji dokującej, co powoduje kolejne ładowanie. Poziom stresu na akumulatorze jest wysoki, ponieważ cykle występują przy progu wysokiego napięcia. Jeżeli dochodzi do tego podwyższona temperatura, wtedy ogniwo ulega szybkiemu zużyciu. Bezpieczniej jest korzystać z urządzenie rozładowując akumulator do poziomu 20%-25% i dopiero wtedy rozpoczynać kolejny cykl ładowania.
Urządzenie przenośne powinno być wyłączone podczas ładowania. Dzięki temu akumulator bez przeszkód osiąga ustawiony próg napięcia i punkt nasycenia. Ładunek pasożytniczy myli ładowarkę, wymuszając wyższe napięcie akumulatora i uniemożliwiając wykrycie spadku prądu w fazie nasycenia przez pobieranie prądu upływowego. Ogniwo może być w pełni naładowane, ale panujące warunki spowodują ciągłe ładowanie, powodując stres napięciowy.
Ładowanie ogniw litowo-jonowych bez domieszki kobaltu
Tradycyjne ogniwa litowo-jonowe mają nominalne napięcie 3,60 V i maksymalne napięcie ładowania 4,20 V. Ogniwa litowo-fosforanowe (LiFePO) są inne. Napięciem nominalnym ogniwa jest 3,20 V, a maksymalnym napięciem ładowania jest 3,65 V. Stosunkowo nowe są ogniwa oparte o tytanian litu (LTO) o nominalnym napięciu ogniwa 2,40 V i maksymalnym napięciu ładowaniu 2,85 V.
(Zobacz też: BU-205: Types of Lithium-ion
Ładowarki do ogniw litowo-jonowych bez domieszki kobaltu nie są kompatybilne ze zwykłymi ogniwami litowo-jonowym z napięciem nominalnym 3,60 V. Być może zostaną wprowadzone przepisy umożliwiające identyfikację systemów i zapewnienie prawidłowego napięcia ładowania. Należy zwracać uwagę na właściwe dopasowanie ładowarki do ogniw. Akumulator litowo-jonowy o napięciu nominalnym 3,60 V w ładowarce zaprojektowanej dla ogniw LiFePO nie byłby wystarczająco naładowany. Ogniwo LiFePO w zwykłej ładowarce zostanie zniszczone przez zbyt wysokie napięcie.
Nadmierne ładowanie ogniw litowo-jonowych
Ogniwo litowo-jonowe jest bezpieczne, gdy pracuje w wyznaczonym zakresie napięć roboczych. Jednak akumulator staje się niestabilny, jeśli napięcie wzrośnie powyżej 4,30 V/ogniwo, co spowoduje wytrącanie metalicznego litu na anodzie. Materiał katodowy staje się wtedy utleniaczem, traci stabilność, wytwarza dwutlenek węgla (CO2) i ciśnienie w komorze wzrasta. Jeżeli proces ładowania trwa, to urządzenie odpowiedzialne za bezpieczeństwo akumulatora rozłącza obwód prądowy przy ciśnieniu 1000-1380 kPa. Jeżeli ciśnienie nadal rośnie, to w niektórych ogniwach, przy ~3450 kPa otwiera się zawór bezpieczeństwa, a wylatujący gaz może wywołać pożar.
(Zobacz też: BU-304b: Making Lithium-ion Safe)
Odpowietrzanie ogniwa wiąże się z podwyższoną temperaturą. W pełni naładowane ogniwo ma niższą temperaturę zapłonu, a gaz wydostaje się szybciej niż z ogniwa, które jest częściowo naładowane. Wszystkie akumulatory litowe są bezpieczniejsze przy niższych poziomach naładowania, czyli zgromadzonej energii, dlatego przesyłając akumulatory Li-ion drogą lotniczą należy zadbać o uzyskanie stanu naładowania 30% zamiast pełnego naładowania.
(Zobacz też: BU-704a: Shipping Lithium-based Batteries by Air
Próg zapłonu dla ogniw Li-ion z domieszką kobaltu (LCO), przy pełnym naładowaniu, wynosi 130°C-150°C, dla ogniw kobaltowo-niklowo-manganowych (NMC) to 170°C-180ºC, a litowo-manganowych (LMO) wynosi około 250ºC. Ogniwa litowo-fosforanowe mają podobną lub lepszą stabilność temperaturową niż litowo-manganowe.
(Zobacz też: BU-304a: Safety Concerns with Li-ion oraz BU-304b: Making Lithium-ion Safe)
Akumulatory Li-ion nie są jedynym typem stwarzającym zagrożenie bezpieczeństwa w przypadku przeładowania. Akumulatory na bazie ołowiu i niklu również topią się i powodują pożar w przypadku niewłaściwego obchodzenia się z nimi. Najważniejszym sposobem zapobiegania wypadkom jest odpowiednio zaprojektowany sprzęt do ładowania, a pomiar temperatury jest jednym z podstawowych elementów zapewniającym niezawodność i bezpieczeństwo.
Podsumowanie
Ładowanie akumulatorów litowo-jonowych jest prostsze niż w przypadku systemów opartych na niklu. Obwód ładowania jest prosty; ograniczenia napięcia i prądu są łatwiejsze do zmierzenia niż analiza złożonych sygnatur napięcia, które zmieniają się wraz z wiekiem akumulatora. Proces ładowania może być przerywany, a Li-ion nie wymaga nasycenia, jak w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Daje to dużą korzyść dla magazynowania energii odnawialnej, takiej jak panel słoneczny i turbina wiatrowa, które nie zawsze mogą w pełni naładować akumulator. Brak ładowania podtrzymującego dodatkowo upraszcza ładowarkę. Wyrównująca ładowarka, jak jest wymagana w przypadku kwasu ołowiowego, nie jest konieczna w przypadku Li-ion.
Ładowarki do urządzeń powszechnego użytku oraz większość ładowarek używanych w przemyśle dla ładuje akumulator litowo-jonowy metodą CC+CV. Nie oferują one regulowanych napięć końcowych, które przedłużyłyby żywotność ogniw Li-ion poprzez obniżenie napięcia ładowania końcowego i przyjęcie krótszego czasu pracy. Producenci urządzeń uważają, że taka opcja skomplikowałaby ładowarkę. Wyjątkiem są pojazdy elektryczne i satelity, które unikają pełnego ładowania w celu osiągnięcia długiego okresu użytkowania.
Zobacz też: BU-1003: Electric Vehicle (EV) oraz BU-1001: Batteries in Industries
Zalecenia
- Wyłącz urządzenie lub odłącz obciążenie od akumulatora, aby umożliwić swobodny spadek prądu podczas nasycania. Ładunek pasożytniczy myli ładowarkę.
- Ładuj w umiarkowanej temperaturze. Nie ładuj ogniw w temperaturze ujemnej.
(Zobacz: BU-410: Charging at High and Low Temperatures)
- Ogniwo litowo-jonowe nie musi być w pełni naładowane. Ładowanie częściowe może być lepszą opcją, gdy trwałość ogniw jest ważniejsza od czasu pracy na jednym ładowaniu.
- Nie wszystkie ładowarki ładują do końca fazy CV. Akumulator może nie być w pełni naładowany po pojawieniu się sygnału "gotowości" w ładowarce. 100% naładowania na wskaźniku może być niezgodne z prawdą.
- Przerwij korzystanie z ładowarki i/lub baterii, jeśli bateria nadmiernie się nagrzeje.
- Przed przechowywaniem warto upewnić się, że akumulator nie jest rozładowany, ani naładowany do pełna. Optymalnie jest utrzymać 40%-50% SoC.
(Zobacz też: BU-702: How to Store Batteries)
Ostatnia aktualizacja oryginalnego artykułu: 2018.04.24
Ten artykuł jest tłumaczeniem materiału zawartego na stronie: BU-409: Charging Lithium-ion
Zapraszam do dyskusji w temacie.
Marek
Fajne? Ranking DIY
