Лекция
Привет, сегодня поговорим про хранение аккумуляторов, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое хранение аккумуляторов, деградация аккумуляторов , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры.
Аккумуляторы относятся к категории “скоропортящихся продуктов”, начинающих терять свое качество сразу же после изготовления. Хотя степень деградации для некоторых типов аккумуляторов достаточно низка, все же не рекомендуется хранить их в течение длительного периода времени перед использованием.
Все типы аккумуляторов должны храниться в сухом и прохладном месте. Можно порекомендовать хранение аккумуляторов в холодильнике (но только не в морозильнике, т.к. не все типы аккумуляторов выдерживают хранение при температуре замерзания). При хранении в прохладном месте, поместите аккумулятор в пластиковый пакет для защиты его от конденсации влаги.
NiCd аккумуляторы могут храниться в необслуживаемом состоянии до пяти лет. Но для достижения лучших результатов, перед хранением полностью зарядите аккумулятор, затем разрядите до нулевого напряжения и после этого замкните его выводы накоротко. Если такая процедура обременительна, разрядите аккумулятор до одного вольта на элемент и храните в сухом, прохладном месте. Полностью заряженные NiCd аккумуляторы при хранении подвержены саморазряду, что приводит к возникновению кристаллических образований (эффекта памяти).
После длительного хранения NiCd и NiMH аккумуляторы необходимо подготовить перед использованием, путем их медленного заряда, и последующих нескольких циклов разряда / заряда. В зависимости от длительности и температуры хранения, может потребоваться от двух до пяти таких циклов , чтобы восстановить полную емкость аккумуляторов. А в случае хранения при более высокой температуре, потребуется большее количество циклов. Проведение нескольких циклов может потребоваться и после, например, двух месяцев хранения.
Li-ion и Li-pol аккумуляторы должны храниться в заряженном состоянии. Если Li-ion аккумулятор оставить на хранение с напряжением ниже 2. 5 V сроком на три месяца или более, происходит невосстанавливаемая потеря его емкости. Кроме этого, может произойти коррозия элементов. Некоторые Li-ион аккумуляторы не допускают подзарядку, если напряжение на выводах элемента понизилось ниже критического уровня. Это требование выдвигается из соображений безопасности, потому что у глубоко разряженного элемента, изменяется химическая структура и подзарядка может быть опасной. Наилучшие результаты будут при хранении Li-ион аккумуляторов, заряженных до значения их емкости от 70 до 90 %. Некоторые изготовители могут рекомендовать более низкие значения емкости при хранении.
Типичные ошибки при хранении аккумуляторов.
Наиболее распространенная ошибка, допускаемая владельцами мобильной техники: ноутбука,планшета, смартфона, КПК, мобильного телефона, фотоаппарата, фотокамеры, видеокамеры, MP3-плеера, радиостанции, радиотелефона, игровой приставки, электронной книги, нетбука, WiFi роутера, навигатора и др.устройств , заключается в том, что они оставляют мобильную технику или запасной аккумулятор (акб, батарею, зарядку) в автомобиле жарким летом или холодной зимой. Летом температура внутри автомобиля может превысить 60°C. Надо отметить, что высокая температура, как правило, вредна для работы всех типов аккумуляторов независимо от их электрохимической системы. Длительное хранение и эксплуатация аккумулятора при высокой температуре ускоряет деградацию активных материалов внутри аккумулятора. Любопытно по этому поводу обратиться к данным производителей элементов для аккумуляторных батарей. В спецификациях на бытовые элементы приводятся следующие цифры (они типичны для всех производителей):
NiMH аккумуляторы:
Стандартный заряд: 0°C ... +45°C.
Быстрый заряд: 0°C ... +40°C (у некоторых производителей 5°C ... +45°C).
Разряд: -10°C ... +65°C (у некоторых производителей -20°C ... +60°C).
Хранение: -20°C ... 35°C (в течение 1 года)
Хранение: -20°C ... 45°C (в течение 180 дней)
Хранение: -20°C ... 55°C (в течение 30 дней)
Хранение: -20°C ... 65°C (в течение 7 дней)
Li-ion и Li-pol аккумуляторы:
Заряд: 0°C ... +40°C (у некоторых производителей 5°C ... +45°C).
Разряд: -10°C ... +60°C (у некоторых производителей -20°C ... +60°C).
Хранение: -20°C ... 35°C (в течение 1 года), у некоторых производителей -20°C ... +25°C
Хранение: -20°C ... 55°C (в течение 90 дней), у некоторых производителей -20°C ... +45°C
Хранение: -20°C ... 60°C (в течение 30 дней)
Кроме этого, приведу любопытную табличку для качественного Li-ion аккумулятора со 100 % начальной емкостью перед хранением:
|
Температура хранения |
Длительность хранения |
Степень заряженности аккумулятора в % перед хранением |
Восстановленная емкость аккумулятора после хранения в % |
|
+60°C |
1 неделя |
Заряжен на 50% |
90 |
|
+60°C |
1 неделя |
Заряжен на 100% |
85 |
|
+23°C |
90 дней |
Заряжен на 50% |
95 |
|
+23°C |
90 дней |
Заряжен на 100% |
90 |
|
+23°C |
1 год |
Заряжен на 50% |
90 |
|
+23°C |
1 год |
Заряжен на 100% |
80 |
Таким образом, чем выше температура, тем меньшее время аккумулятор должен находиться в данных условиях. Никель-металлгидридные аккумуляторы наиболее чувствительны к высоким температурам по сравнению с аккумуляторами других электрохимических систем. Так постоянная эксплуатация и хранение при 45°C приведут к уменьшению количества циклов NiMH аккумулятора примерно на 60 процентов. NiCd элементы наоборот, менее всех других чувствительны к высокими температурами. Li-ion ведут себя почти так же как NiCd. А литий-ионные полимерные элементы, имеющие, главным образом, ту же самую природу, что и Li-ion, могут иногда вспучиваться, особенно при более высоких температурах.
При пониженной температуре условия хранения наилучшие, но отметим, что именно для хранения, т.к. отдача энергии при минусовых температурах у любых аккумуляторов падает, а заряжать и вовсе нельзя.
Кроме температуры, на срок службы аккумулятора существенное влияние оказывает степень его заряда. Как показывают результаты исследований оптимальный вариант это зарядить аккумулятор перед хранением наполовину.
Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Соответственно, нет смысла покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.
Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от емкости аккумулятора и температуре 0…10 °C.
| Температура, ⁰C | С 40%-м зарядом, % за год | Со 100%-м зарядом, % за год |
|---|---|---|
| 0 | 2 | 6 |
| 25 | 4 | 20 |
| 40 | 15 | 35 |
| 60 | 25 | 60 (40 % за три месяца) |
Как и в других типах аккумуляторов, разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов. Разряд аккумулятора при температуре, не ниже указанной производителем аккумуляторов, не приводит к их деградации (преждевременному исчерпанию ресурса). Как и для других типов аккумуляторов, одним из вариантов решения проблемы являются аккумуляторы с внутренним подогрево.
Деградация литий-ионных акуумуляторов
Срок службы литий-ионного аккумулятора обычно определяется как количество полных циклов зарядки-разрядки до достижения порога отказа с точки зрения потери емкости или повышения импеданса. В технических характеристиках производителей обычно используется термин «срок службы», чтобы указать срок службы с точки зрения количества циклов для достижения 80% от номинальной емкости аккумулятора. Простое хранение литий-ионных аккумуляторов в заряженном состоянии также снижает их емкость (количество циклируемого Li + ) и увеличивает сопротивление элемента (в первую очередь из-за непрерывного роста твердоэлектролитного интерфейса на аноде). Календарный срок службы используется для представления всего жизненного цикла аккумулятора, включая как циклирование, так и неактивные операции хранения. На срок службы аккумулятора влияет множество различных факторов стресса, включая температуру, ток разряда, ток заряда и диапазоны состояния заряда (глубина разряда). Аккумуляторы не полностью заряжаются и разряжаются в реальных приложениях, таких как смартфоны, ноутбуки и электромобили, поэтому определение срока службы аккумулятора через циклы полной разрядки может вводить в заблуждение. Чтобы избежать этой путаницы, исследователи иногда используют кумулятивный разряд , определяемый как общее количество заряда (Ач), отданного батареей в течение всего срока службы или эквивалентных полных циклов, , что представляет собой сумму частичных циклов как долей полного цикла заряда-разряда. Деградация батареи во время хранения зависит от температуры и состояния заряда батареи (SOC), а сочетание полного заряда (100% SOC) и высокой температуры (обычно > 50 °C) может привести к резкому падению емкости и газообразованию. Умножение кумулятивного разряда батареи на номинальное номинальное напряжение дает общую энергию, отданную за срок службы батареи. Из этого можно рассчитать стоимость за кВтч энергии (включая стоимость зарядки).
В течение срока службы аккумуляторы постепенно изнашиваются, что приводит к снижению циклической зарядки (то есть емкости в Ач) и повышению сопротивления (последнее приводит к снижению рабочего напряжения элемента).
Несколько процессов деградации происходят в литий-ионных батареях, некоторые во время циклирования, некоторые во время хранения, а некоторые все время: Деградация сильно зависит от температуры: деградация при комнатной температуре минимальна, но увеличивается для батарей, хранящихся или используемых в условиях высокой температуры (обычно > 35 °C) или низкой температуры (обычно < 5 °C). Кроме того, срок службы батареи при комнатной температуре максимален. Высокие уровни заряда также ускоряют потерю емкости . Частая зарядка до > 90% и разрядка до < 10% также могут ускорить потерю емкости . Поддержание состояния литий-ионной батареи примерно от 60% до 80% может снизить потерю емкости.
В исследовании ученые использовали трехмерные изображения и анализ моделей для выявления основных причин, механизмов и потенциальных способов смягчения проблемной деградации аккумуляторов при зарядке . Они обнаружили, что «увеличение растрескивания частиц и потеря контакта между частицами и доменом углеродного связующего коррелируют с деградацией элемента», и указали, что «гетерогенность реакции в толстом катоде, вызванная несбалансированной электронной проводимостью, является основной причиной деградации аккумулятора при зарядке».
Наиболее распространенные механизмы деградации литий-ионных аккумуляторов включают:
Обзор корреляции между факторами эксплуатационного стресса (причинами деградации), соответствующими механизмами старения, режимом старения и их влиянием на старение литий-ионных аккумуляторов.
Они показаны на рисунке справа. Переход от одного основного механизма деградации к другому отображается в виде изгиба (изменения наклона) на графике зависимости емкости от количества циклов.
Большинство исследований старения литий-ионных аккумуляторов проводились при повышенных (50–60 °C) температурах, чтобы быстрее завершить эксперименты. В этих условиях хранения полностью заряженные никель-кобальт-алюминиевые и литий-железо-фосфатные элементы теряют около 20% своего циклируемого заряда за 1–2 года. Считается, что вышеупомянутое старение анода является наиболее важным путем деградации в этих случаях. С другой стороны, катоды на основе марганца показывают более быструю деградацию (около 20–50%) в этих условиях, вероятно, из-за дополнительного механизма растворения ионов Mn. При 25 °C деградация литий-ионных аккумуляторов, по-видимому, следует тому же пути(ям), что и деградация при 50 °C, но с половинной скоростью. Другими словами, основываясь на ограниченных экстраполированных экспериментальных данных, ожидается, что литий-ионные аккумуляторы необратимо потеряют около. 20% от их циклируемого заряда за 3–5 лет или 1000–2000 циклов при 25 °C. Литий-ионные аккумуляторы с титанатными анодами не подвержены росту SEI и служат дольше (> 5000 циклов), чем графитовые анодные элементы. Однако в полных элементах другие механизмы деградации (например, растворение Mn 3+ и обмен Ni 2+ / Li + , разложение связующего ПВДФ и отслоение частиц) проявляются через 1000–2000 дней, и использование титанатного анода на практике не увеличивает срок службы полных элементов.
Более подробное описание некоторых из этих механизмов приведено ниже:
В зависимости от электролита и добавок слой SEI, образующийся на аноде, обычно состоит из смеси оксида лития, фторида лития и полукарбонатов (например, алкилкарбонатов лития). При повышенных температурах алкилкарбонаты в электролите разлагаются на нерастворимые соединения, такие как Li
2СО
3 что увеличивает толщину пленки. Это увеличивает импеданс элемента и снижает циклируемость. Газы, образующиеся при разложении электролита, могут увеличить внутреннее давление элемента и представляют потенциальную угрозу безопасности в сложных условиях, таких как мобильные устройства. При температуре ниже 25 °C осаждение металлического лития на аноды и последующая реакция с электролитом приводят к потере циклируемого лития. Длительное хранение может спровоцировать постепенное увеличение толщины пленки и потерю емкости. Зарядка при напряжении более 4,2 В может инициировать осаждение Li + на аноде, что приведет к необратимой потере емкости.
Механизмы деградации электролита включают гидролиз и термическое разложение. При концентрации всего лишь 10 ppm вода начинает катализировать ряд продуктов деградации, которые могут повлиять на электролит, анод и катод. LiPF
6участвует в равновесной реакции с LiF и PF
5В типичных условиях равновесие смещено далеко влево. Однако присутствие воды приводит к образованию значительного количества LiF, нерастворимого электроизолирующего продукта. LiF связывается с поверхностью анода, увеличивая толщину пленки. LiPF
6гидролиз дает ПФ
5, сильная кислота Льюиса , которая реагирует с богатыми электронами частицами, такими как вода. PF
5реагирует с водой с образованием плавиковой кислоты (HF) и оксифторида фосфора . Оксифторид фосфора, в свою очередь, реагирует с образованием дополнительного HF и дифторгидроксифосфорной кислоты . HF преобразует жесткую пленку SEI в хрупкую. На катоде карбонатный растворитель затем может со временем диффундировать на оксид катода, выделяя тепло и потенциально вызывая тепловой пробой. Разложение солей электролита и взаимодействие солей с растворителем начинаются уже при 70 °C. Значительное разложение происходит при более высоких температурах. При 85 °C из EC, реагирующего с DMC, образуются продукты переэтерификации , такие как диметил-2,5-диоксагексанкарбоксилат (DMDOHC).
Аккумуляторы выделяют тепло при зарядке и разрядке, особенно при высоких токах. Большие аккумуляторные блоки, такие как те, что используются в электромобилях, обычно оснащены системами терморегулирования, которые поддерживают температуру от 15 °C (59 °F) до 35 °C (95 °F). Температура пакетов и цилиндрических элементов линейно зависит от тока разрядки. Плохая внутренняя вентиляция может привести к повышению температуры. Для больших аккумуляторов, состоящих из нескольких элементов, неравномерная температура может привести к неравномерной и ускоренной деградации. Напротив, календарный срок службы LiFePO
4На клетки не влияют состояния высокого заряда.
2Mn3 + → Mn2 + + Mn4 +
Потеря материала шпинели приводит к снижению емкости. Температура всего лишь 50 °C инициирует осаждение Mn 2+ на аноде в виде металлического марганца с теми же эффектами, что и покрытие литием и медью. Циклирование по теоретическим максимальным и минимальным плато напряжения разрушает кристаллическую решетку из-за искажения Яна-Теллера , которое происходит, когда Mn 4+ восстанавливается до Mn 3+ во время разряда. Хранение батареи, заряженной до более чем 3,6 В, инициирует окисление электролита катодом и вызывает образование слоя SEI на катоде. Как и в случае с анодом, чрезмерное образование SEI образует изолятор, что приводит к снижению емкости и неравномерному распределению тока. Хранение при менее 2 В приводит к медленной деградации LiCoOСтандарт IEEE 1188–1996 рекомендует заменять литий-ионные аккумуляторы в электромобилях, когда их зарядная емкость падает до 80% от номинала. В дальнейшем мы будем использовать 20%-ную потерю емкости в качестве точки сравнения между различными исследованиями. Тем не менее, следует отметить, что линейная модель деградации (постоянный процент потери заряда за цикл или за календарное время) не всегда применима, и часто наблюдается «перегиб», наблюдаемый как изменение наклона и связанный с изменением основного механизма деградации.
Надеюсь, эта статья об увлекательном мире хранение аккумуляторов, была вам интересна и не так сложна для восприятия как могло показаться. Желаю вам бесконечной удачи в ваших начинаниях, будьте свободными от ограничений восприятия и позвольте себе делать больше активности в изученном направлени . Надеюсь, что теперь ты понял что такое хранение аккумуляторов, деградация аккумуляторов и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры
Комментарии
Оставить комментарий
Источники питания радиоэлектронной аппаратуры
Термины: Источники питания радиоэлектронной аппаратуры