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.