Аккумуляторы li ion правила эксплуатации: Все правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Все правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

В данном материале мы поговорим о практических аспектах эксплуатации литий-ионных аккумуляторов. Как мы уже говорили в этой статье, у них есть свои особенности, которые нужно обязательно учитывать. Не важно, в каком устройстве находится аккумулятор, будь то смартфон, ноутбук, дрель или любой другой электроинструмент, правила эксплуатации будут одинаковыми.

Почему их нужно соблюдать? Во-первых, просто потому, что они совсем не сложные и не потребуют от вас никаких усилий. Во-вторых, их соблюдение может существенно продлить жизнь литиевого аккумулятора, повысить время работы устройств без подзарядки. Основных правил всего пять.

Отсутствие полного разряда

Некоторые типы аккумуляторов (например, никель-кадмиевые) нужно обязательно разряжать перед зарядкой до нуля. Это обусловлено эффектом памяти, который в литий-ионных отсутствует. Вернее, он есть, но крайне незначительный и его можно не учитывать. Поэтому заряжать можно на любом значении остаточной емкости, будь то 20% или 90% — батарее это никак не повредит. Глубокий разряд вредит данному типу аккумуляторов и значительно сокращает срок его службы. Емкость будет уменьшаться.

Производители делают расчет количества циклов при разряде до 0%. Например, они обещают 500 циклов. Но если ставить аккумулятор на зарядку при разряде 50%, то срок его службы увеличится раза в три. Согласитесь, это очень существенные цифры. А если заряжать после 10% разряда, то количество циклов вырастет в 9-11 раз. Разумеется, последнее невозможно на практике. Оптимальным считается не допускать разрядку ниже 20%. На практике вы можете ставить литий-ионный аккумулятор на зарядку даже без долго использования, даже если он разрядился всего на 5%.

Это относится ко всем типам, будь то батарея смартфона, АА, ААА и любые другие типоразмеры. Это одно из самых простых правил эксплуатации. Да, не всегда возможно вовремя зарядить аккумулятор, но в этом случае можно хотя бы попытаться ограничить использование устройства. Если не допускать разрядку ниже 20%, то срок жизни (количество циклов) в среднем увеличивается в 2 раза.

Хранение частично заряженным

Это актуально для электроинструментов и других устройств, которые используются время от времени. Оптимальный уровень заряда при длительном хранении – 40%, температура около 15 градусов. Соблюдать это правило уже труднее, но оно очень важное. Крайности недопустимы, так как:

• Если литий-ионный аккумулятор хранится долгое время полностью разряженным, то он может попросту выйти из строя и заряжаться не будет. В отдельных случаях его можно будет восстановить, но он потеряет часть емкости.
• Если аккумулятор полностью заряжен, то со временем он будет терять емкость. И чем больше срок хранения, тем больше потеря емкости. Да, саморазряд у Li-ion низкий, но в данном случае мы говорим совсем о другом.

Данное правило эксплуатации литий-ионных аккумуляторов обусловлено химическими процессами, которые в нем происходят. Кстати, именно по этой причине не рекомендуют покупать данный тип АКБ «на всякий случай». Их нужно именно что активно использовать, держать на полке годами никакого смысла нет.

Оригинальные зарядные устройства

Необходимо использовать только те зарядные устройства, которые шли в комплекте. Но есть оговорка: все зависит от типа устройства. Зарядное устройство может быть встроено непосредственно в само устройство, а то, что мы называем «зарядка» лишь адаптер. Но у некоторых литий-ионные аккумуляторы вставляются во внешние зарядные устройства (например, как у зеркальных фотоаппаратов) и в этом случае если использовать зарядку от непонятного производителя, то это может сильно навредить батарее. Поэтому в данном случае экономить не стоит, цена зарядного устройства обычно ниже, чем цена аккумулятора. И экономия может привести к потере денег, как оно часто и бывает.

Полная разрядка

Хотя выше мы писали, что полная разрядка вредит литиевым аккумуляторам (что правда), иногда необходимо разряжать его до нуля, но делать это нужно правильно. Доказано, что если АКБ полностью разряжать 1 раз в три месяца и после этого держать на зарядке около 10 часов, то это способствует сбросу флагов нижнего и верхнего уровней, то есть, откалибровать батарею. Три месяца – ориентировочный срок, исследования показали, что это нужно делать после 40-50 циклов разряда (неполных).

Впрочем, многие современные литий-ионные аккумуляторы имеют функции, которые не требуют данных манипуляций. Поэтому стоит читать рекомендации по эксплуатации от производителя, если там указана данная процедура, то ее стоит делать совершенно точно.

Без перегрева

Низкая температура снижает емкость литий-ионного аккумулятора, но высокая вредит гораздо больше. Именно поэтому производители всегда говорят прямо: не подвергать воздействию прямых солнечных лучей. Максимальная температура, при которой допускается использование данного типа АКБ +50 градусов по Цельсию. Все, что выше – существенный риск. При этом способность держать заряд теряется при значительно меньших значениях. При +30 батарея потеряет до 20% емкости, а при +45 уже около 50%.

Да, эти данные являются усредненными, возможны определенные отклонения, но в целом, литиевые батареи работают именно так. Поэтому при их эксплуатации в условиях высоких температур, стоить быть очень осторожным.

Что нельзя делать с литий-ионными аккумуляторами?

Что нельзя делать, четко пишут в инструкциях по эксплуатации, но мы знаем, что их читают очень редко, поэтому в рамках данной статьи считаем нужным продублировать эту информацию.

• Нельзя пытаться заряжать одноразовые батарейки. Они просто не предназначены для этого. Запрет – категорический. Все дело в том, что они могут загореться или даже взорваться.
• Их нельзя разбирать, нельзя прокалывать, если они вздулись (это говорит о неисправности клапана, который сбрасывает излишнее давление). Как минимум это грозит вытеканием электролита, в котором содержаться вредные вещества, как максимум – возгоранием.
• Уточняйте правила провоза литий-ионных батарей в зависимости от типа транспорта. Например, в самолетах их запрещено перевозить в багажном отделении, только в салоне. Также действуют ограничения по мощности, для некоторых аккумуляторов может потребоваться разрешение авиакомпании.
• При зарядке нельзя подавать напряжении выше пяти вольт, это может привести к возгоранию или к поломке АКБ. Это не актуально, если вы используете «родные» зарядные устройства, это стоит учитывать лишь тогда, когда применяются многофункциональные зарядные устройства, в которых есть возможность задавать ряд параметров по своему желанию.

В целом, правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов достаточно просты. Список рекомендаций и запретов не выглядит очень большим и сложным. Современные АКБ данного типа лишены множества недостатков, которые были присущи первым моделям. При соблюдении всех правил их можно назвать очень безопасными, а некоторые случаи взрыва или возгорания, о которых широко говорили в СМИ, лишь исключения, которые занимают доли процента, учитывая количество используемых литий-ионных аккумуляторов в мире.

Правила эксплуатации литиевых аккумуляторов Все про Li-ion (литиевые аккумуляторы)

Без химических источников тока мы уже не представляем сегодня нашей жизни, поэтому выход из строя любого из них из-за проблемы с аккумулятором доставляет нам массу неудобств. Чтобы этого не происходило, важно знать основные правила эксплуатации Li-ion аккумуляторов и придерживаться их в повседневной жизни.

Эксплуатация литий-ионного аккумулятора: основные правила

Чтобы ваш аккумулятор прослужил максимально долго и эффективно, необходимо:
не допускать полного разряда. При регулярной подзарядке аккумулятора при достижении им уровня заряда в 20% увеличивается количество полных циклов;

• перезаряд так же вредит аккумулятору, как и глубокий разряд это необходимо учитывать;
• не нагревать аккумулятор. Самый страшный враг АКБ – высокая температура. Строго придерживайтесь допустимого температурного режима при эксплуатации аккумуляторов (от-20 до + 50 градусов), не оставляйте АКБ под прямыми солнечными лучами или вблизи искусственных источников тепла;
• правильно хранить аккумулятор. Идеальное состояние для хранения АКБ литий-ионного типа – наполовину заряженным, при нулевой температуре воздуха. Чем выше будет температура хранения аккумулятора, тем меньше станет его емкость. Не храните АКБ в полностью разряженном состоянии так вы вызовете его необратимую деградацию;
• необходимо учитывать силу тока разряда – чем она выше и чем выше нагрузка на аккумулятор, тем меньше становится его ресурс.
• берегите аккумулятор от ударов и чрезмерной вибрации. При установке аккумулятора на электровелосипед или другой электротранспорт обязательно используйте мягкую подкладку.

Иногда не совсем компетентные продавцы рекомендуют «тренировать» новый аккумулятор. Для литий-ионных АКБ этот процесс абсолютно не имеет смысла, так что полностью заряжать, а затем полностью разряжать новую аккумуляторную батарею не требуется.

Правильная эксплуатация литиевых батарей обеспечит им продолжительный срок службы и позволит использовать их максимальной эффективностью. Соблюдайте эти простые правила, и проблем с новым литий-ионным аккумулятором не возникнет.

Прилагаем памятку по хранению литиевых аккумуляторов в формате PDF. Скачайте и пользуйтесь.

Правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов | Сайт об электромобилях

При существующем темпе роста смышлености (SMART) контроллеров устройств, мы скоро будем нижайше кланяться своему аккумулятору с просьбой отдать толику его энергии для работы так нужного нам устройства. А также заключать договор о своевременной кормежке аккумулятора электроэнергией и вносить взносы в фонд социального страхования аккумуляторов. Кроме того, придется оплачивать аккумулятору медицинскую страховку и пай в пенсионном фонде:).

Правильная эксплуатация аккумуляторов сотовых телефонов

Электроды литий-ионных аккумуляторов, из-за процесса производства уже наполовину заряжены, однако свежий аккумулятор нежелательно сразу же проверять под нагрузкой. Первоначально литий-ионный аккумулятор требуется полностью зарядить. Использование аккумулятора без первоначальной подзарядки может резко сократить доступную пользователю емкость.

После первоначальной зарядки аккумулятора желательно его полностью разрядить для калибровки системы управления аккумулятором. Сразу же после разрядки подзарядите аккумулятор. Циклы калибровки для сотовых телефонов с литий-ионными аккумуляторами не следует производить часто (обычно хватает одного цикла полного заряда-разряда в 3 месяца). Сами циклы калибровки нужны только для правильного отображения прогноза оставшейся емкости аккумулятора. Рекомендуемые же некоторыми пользователями и продавцами трех-четырех кратные глубокие циклы заряда-разряда могут оказаться фатальными для не нового литий-ионного аккумулятора.

Желательно использовать оригинальные аккумуляторы от производителя мобильного телефона. Так как функции системы управления аккумуляторной батареей для мобильных сильно урезаны, а зарядом руководит система подзарядки сотового телефона, то аккумулятор от стороннего производителя проживет меньше, поскольку система подзарядки не знает особенностей не оригинальных аккумуляторов.

В связи с тем, что эффект «старения» литий-ионных аккумуляторов резко усиливается при высокой температуре, сотовый телефон желательно держать подальше от источников тепла (тело человека, прямые солнечные лучи, радиатор отопления).

Желательно часто не заряжать аккумулятор сотового телефона полностью, а также ставить аккумулятор на подзарядку раньше, чем уровень заряда достигнет красного значения индикатора заряда (примерно 20% остаточной емкости).

Старение литий-кобальтовых аккумуляторов (наиболее распространенных аккумуляторов для сотовых напрямую зависит от уровня нагрузки). Говорите по мобильному меньше и реже — это позволит сохранить здоровье не только вашему аккумулятору, но и вам самим.

Не заряжайте аккумулятор, побывавший на морозе до тех пор, пока он не прогреется до положительной (по Цельсию) температуры — это важное требование безопасности эксплуатации литий-ионных аккумуляторов.

Правильная эксплуатация аккумуляторных батарей ноутбуков

Аккумуляторная батарея ноутбука содержит полноценную систему управления, что часто позволяет пользователю забыть о том, правильно ли он эксплуатирует батарею. Однако, при работе с ноутбуком следует помнить о некоторых вещах.

При первом подключении аккумуляторную батарею ноутбука следует полностью зарядить, после чего произвести калибровку системы управления. Калибровка осуществляется полным разрядом батареи при постоянной нагрузке (необходимо войти в настройки BIOS, и оставить ноутбук работать при отключении от сети до выключения, во многих настройщиках BIOS есть специальный пункт Calibration, предназначенный для выполнения данной задачи). Не забудьте сразу же зарядить батарею своего ноутбука после полной разрядки.

Калибровка аккумуляторной батареи ноутбука обычно осуществляется раз в 1-3 месяца, для исключения эффекта «цифровой памяти» — в процессе работы от аккумулятора постепенно накапливаются ошибки определения остаточной емкости, из-за чего снижается время автономной работы ноутбука.

Для некоторых моделей ноутбуков существуют утилиты производителя для задания уровня разряда батареи, при котором начинает производится заряд. Если аккумулятор ноутбука служит как источник бесперебойного питания (работа осуществляется стационарно с питанием от сети), то установка уровня допустимого разряда в 40% и поддержание аккумуляторной батареи в полуразряженном состоянии позволит продлить жизнь батареи в два раза.

Часть ноутбуков поставляются с дополнительной батареей. Если вы долго не пользуетесь ей, имеет смысл разрядить дополнительную батарею до 40%, упаковать в полиэтиленовый пакет с вакуум-замком и оставить пакет в холодильной камере холодильника при температуре 3-4°C.

Правильная эксплуатация батарей Power Tools и видеокамер

Правила эксплуатации батарей Power Tools (в основном, батарей шуруповертов) и видеокамер мало отличаются от правил эксплуатации аккумуляторов сотовых телефонов.

Отличием является то, что использование этих устройств в быту осуществляется довольно редко, а стоимость аккумуляторов высока и эти аккумуляторы со временем становятся мало доступны. Для обеспечения длительной жизни таких аккумуляторов следует хранить их в полуразряженном состоянии в холодильнике при температуре 3-4°C, предварительно упаковав в полиэтиленовый пакет с вакуум-замком. Перед использованием аккумулятор необходимо полностью зарядить с помощью штатного зарядного устройства, и при работе не допускать полного разряда аккумулятора (при первой же возможности подзаряжайте батарею в процессе работы).

В заключение статьи хочу сказать, что хоть правила эксплуатации и позволяют сохранить параметры аккумулятора длительное время, однако жизнь диктует свои условия работы, часто не совместимые с понятием правильной эксплуатации такой высокотехнологичной вещи, как литий-ионный аккумулятор.

Copyright © Дмитрий Спицын, 2008.

Li ion аккумуляторы правила эксплуатации

В этой статье под правильной эксплуатацией литий-ионных аккумуляторов мы будем понимать соблюдение таких условий, в которых литий-ионный аккумулятор портативного устройства сможет работать безопасно, прослужит долго, причем функционирование устройства останется полноценным.

Речь пойдет именно о литий-ионных аккумуляторах, поскольку в большинстве современных мобильных гаджетов: в планшетах, в ноутбуках, в смартфонах и т. д. – установлены именно литиевые аккумуляторы. И если раньше можно было часто встретить никель-металл-гидридные, никель-кадмиевые, то сегодня массово применяются литиевые.

При правильной эксплуатации литий-ионный аккумулятор прослужит в 10-15 раз дольше, нежели при использовании как попало, что и будет раскрыто далее по тексту. Здесь будут приведены рекомендации для пользователей, соблюдение которых поможет сохранить литиевый аккумулятор эффективным и емким на протяжении всего периода пользования портативным устройством, пока не придет время и решение приобрести новое на замену старому.

Часто аккумулятор смартфона вздувается, нередко деформируя и корпус. Вздутие — симптом накопления газов, продуктов реакций протекающих внутри аккумулятора при неправильной его эксплуатации, приводящего к повышению давления на корпус изнутри.

Если вовремя не заменить вздувшийся аккумулятор, он в какой-то момент полностью разрушится или в худшем случае взорвется. Но самое интересное в этой истории со смартфоном то, что описанную проблему легко можно предупредить и предотвратить, соблюдая простые правила эксплуатации устройства с литий-ионным аккумулятором, и тогда ресурс аккумулятора сохранится максимально долго.

Не допускайте перегрева

Лишнее тепло, по какой бы причине оно не появилось, вредит литий-ионной батарее сильнее всего. Причинами могут стать как внешний источник тепла, так и стрессовые режимы заряда и разряда. Так, если вы оставили смартфон на солнце, например на пляже или в держателе внутри автомобиля, это снизит как способность аккумулятора принимать заряд в процессе зарядки, так и способность удерживать его после.

Лучше всего для сохранения емкости литиевой батареи, если температура ее корпуса не поднимается выше 20°C. Ежели температура поднимется выше 30°C, то способность удержания заряда уже понизится с исходных 100% до 80%.

При нагреве до 45°C способность аккумулятора удерживать заряд ослабнет уже вдвое. Температура в 45°C, кстати, легко достигается, если оставить устройство на солнце или интенсивно использовать энергетически мощные приложения.

То есть, если вы заметили, что устройство или аккумулятор ощутимо разогрелись, перейдите в прохладное место (если причина в температуре окружающей среды) или отключите ненужные приложения и службы, снизьте яркость дисплея, включите энергосберегающий режим — так вам удастся снизить потребляемую устройством мощность, и снизить ток, который течет через аккумулятор — аккумулятор начнет остывать.

Если это не поможет, выключите устройство, выньте батарею (если возможно) и подождите, пока она не охладится или пока не остынет устройство, если конструкция не позволяет извлечь аккумулятор.

Напротив, чрезвычайно холодная батарея, при температуре ниже -4°C, просто не сможет отдавать полную мощность пока не прогреется, лучше если до комнатной температуры.

Но вообще низкие температуры не способны причинить литиевой батарее такой необратимый ущерб, какой причиняют повышенные, поэтому после прогрева до комнатной температуры чрезвычайно холодного аккумулятора, свойства его электролита восстановятся. Выньте холодную батарею из устройства в помещении, или немного согрейте ее в руках, затем вставьте обратно.

Вовремя отключайте зарядное устройство

Если аккумулятор заряжается дольше чем положено, то есть если он остается подключен к источнику зарядного тока даже после того как полностью зарядился, это может убить аккумулятор, сильно понизив его емкость.

Суть в том, что рабочий уровень обычного литиевого аккумулятора не должен для безопасной работы превышать 3,6 вольта, однако зарядные устройства в процессе зарядки подают на клеммы 4,2 вольта. И если зарядное устройство вовремя не отключить (благо, некоторые отключаются автоматически сами), то внутри аккумулятора начнутся вредные реакции. В худшем случае пойдет чрезмерный перегрев, и цепная реакция в электролите не заставит себя долго ждать.

Фирменные оригинальные зарядные устройства (которые идут в комплекте с самим гаджетом от производителя) отличаются высоким качеством, они сами способны снижать зарядный ток, взаимодействуя по правильному алгоритму с аккумулятором и со встроенным в гаджет контроллером.

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен. Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

Не беспокойтесь, что когда вы отключите смартфон от зарядника, он начнет разряжаться, ведь литиевые аккумуляторы отличаются от других типов аккумуляторов низким уровнем саморазряда. Если даже аккумулятором вообще не пользоваться после зарядки, то спустя сутки после отключения зарядки лишь 5% энергии, но все ровно убудет, а за следующий месяц — еще 2%.

В любом случае нет необходимости оставлять устройство на подзарядке (даже от фирменного зарядного устройства) до последнего момента, лучше отключить сразу, как только на дисплее (или индикатором) показан полный заряд.

Все современные мобильные устройства на литий-ионных аккумуляторах показывают 100% заряда, когда аккумулятор действительно полностью заряжен, нет никакой необходимости держать дольше.

Не допускайте глубокий разряд

Есть разные варианты использования ресурса аккумулятора. Если каждый раз разряжать батарею быстро и полностью, это будет регулярно сопровождаться выделением большого количества тепла, ведь разрядные токи через батарею будут течь немалые, а это разрушительная нагрузка на аккумулятор.

Если же небольшие разрядные циклы будут короткими, пусть даже потом аккумулятор будет дозаряжен, а затем снова разряжен несколькими порциями, ресурс аккумулятора сохранится дольше.

Современные литиевые аккумуляторы нормально выдерживают неполный разряд и дозаряд, не то что самые первые литиевые экземпляры!

И если рассмотреть влияние циклов разряда-заряда на общий жизненный ресурс аккумулятора, то на самом деле три цикла разряда до 66% и дозаряда до 100% принципиально эквивалентны по изнашивающему действию паре циклов разряда до 50% и затем дозаряда до 100%.

Много коротких циклов разряда-заряда не вреднее нескольких более длительных циклов. Вреден интенсивный разряд — он вызывает нагрев и ведет к необратимым процессам, если является глубоким (до 20% и ниже).

Нагрев и высокая токовая нагрузка однозначно снижают общий жизненный ресурс аккумулятора. Каждый глубокий разряд медленно но верно ведет к необратимым разрушениям, поэтому старайтесь вообще избегать глубокого разряда. Если смартфон сам выключился — это признак глубокого разряда — не следует до этого доводить. 20% достаточно для того, чтобы поставить устройство на подзарядку или вставить резервную батарею.

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

Как было сказано выше, интенсивная разрядка и зарядка сопровождаются большими токами через электролит аккумулятора, что и ведет к его перегреву, и следовательно — к разрушительным процессам (смотрите – Почему взрываются литий-ионные аккумумляторы).

Но даже если стрессовый режим был допущен, и аккумулятор сильно нагрелся, не спешите ставить его на зарядку. Подождите пока он остынет, и только после этого подключайте к зарядному устройству, тогда он сможет нормально и безопасно принимать заряд.

В процессе зарядки аккумулятор тоже не должен перегреваться, если такое происходит, значит через электролит текут слишком большие токи, а это вредно.

Некачественные зарядные устройства грешат так называемой «быстрой зарядкой», как и некоторые индукционные беспроводные зарядники. Такими «быстрыми» зарядными устройствами лучше не пользоваться. Дело в том, что безопасное зарядное устройство обязано реагировать на ток, потребляемый аккумулятором в процессе зарядки, и оперативно менять подаваемое напряжение, если нужно — снижать, когда нужно – повышать.

Если зарядное устройство — это просто трансформатор с выпрямителем, то ваш аккумулятор скорее всего перегреется из-за перенапряжения и постепенно разрушится. Не все «быстрые» зарядники совместимы с литиевыми аккумуляторами.

Самый лучший вариант — оригинальное зарядное устройство от того же производителя, что и у заряжаемого устройства, идеально — зарядник из комплекта. Но если возможности применить оригинальный зарядник нет, то пользуйтесь тем, который дает меньший ток — это спасет аккумулятор от перегрева из-за подачи чрезмерной мощности.

Хорошая альтернатива оригинальному зарядному устройству — USB-порт компьютера. USB 2.0 даст 500mА, USB 3.0 — максимум 900mА. Этого достаточно для безопасной зарядки.

Некоторые из «быстрых» устройств способны вкачивать в батарею по 3-4 ампера, но это разрушительно для батарей небольшой емкости, коими являются аккумуляторы карманных мобильных гаджетов (см. документацию). Небольшой ток от USB – гарантия сохранности литий-ионного аккумулятора.

Имейте при себе резервный аккумулятор

Многие устройства допускают извлечение батареи, поэтому иметь запасной аккумулятор — совсем не проблема. Время работы устройства возрастет вдвое, исключается глубокий разряд (заранее установить резервный аккумулятор, не дожидаясь полного разряда основного), отпадает соблазн использовать вредный «быстрый» зарядник. 20% разряда основного аккумулятора — сигнал к тому чтобы установить резервный.

Если первая батарея сильно нагрелась от интенсивной нагрузки или по причине внешнего нагрева (случайно оставили на солнце) — вставьте запасную, и пока первая будет остывать, вы продолжите пользоваться вашим устройством, сохранив оба аккумулятора невредимыми. Когда тот что нагрелся остынет, его можно будет поставить на дозарядку в оригинальное зарядное устройство (сетевое или автомобильное).

Итак, чтобы литиевый аккумулятор прослужил долго и верно, необходимо:

1. Не допускать разогрева аккумулятора выше 30°C, лучшая температура 20°C.

2. Исключить чрезмерный заряд аккумулятора и перенапряжение на клеммах, оптимально 3,6 В.

3. Избегать глубокого разряда аккумулятора — пусть 20% будет пределом.

4. Не допускать высокие токовые нагрузки во время заряда и разряда (см. документацию), использовать USB.

Заряжение и разряжение любой аккумуляторной батареи (АКБ) происходит в виде химической реакции. Исключение составляют литиевые батареи. Чтобы увеличить срок годности изделий, пользователь должен знать, что такое Li-ion аккумуляторы и как правильно их заряжать.

Что представляет собой литий-ионный аккумулятор

В новых электронных приборах, энергетических системах и других источниках питания устанавливают литий-ионную батарею. Этот вид изделий подходит для телефонов, цифровых устройств, электромобилей и прочих гаджетов.

Как правильно заряжать Li-ion аккумулятор

Для восполнения заряда АКБ выделяют несколько способов. Чаще используют двухэтапное заряжение, которое разработала компания SONY, при этом импульсный заряд и ступенчатую зарядку не применяют. Во время заряжения литий-ионных АКБ соблюдают напряжение и учитывают особенности устройства.

На одну деталь батареи не должно приходиться более 4,2 В. Номинальный показатель для них составляет 3,7 В. Литиевые АКБ можно заряжать быстро и не полностью. Эксплуатация устройства с 40-80% наполнения увеличивает длительность его работы.

Двухступенчатая схема зарядки

Зарядить аккумулятор можно по схеме СС/CV. Сначала нужно обеспечить постоянный ток заряда. На этом этапе первой зарядки восстанавливается 70-80% объема энергии. Значение тока устанавливают 0,2-0,5 С. Для ускоренного заряжения понадобится 0,5-1,0 С. Изначально значение стабильное – 5 В. При достижении уровня 4,4 В на клеммах можно переходить к следующему этапу зарядки.

ЗУ держит стабильный уровень напряжения, а ток при повышении емкости начинает снижаться. Когда его значение опускается до 0,05-0,01 С, зарядка полностью исчезает, прибор отключается без запуска перезарядки. Для восстановления наполненности аккумулятора потребуется не больше 3 часов. При глубоком разряде литий-ионной АКБ (ниже 3,0 В) проводят толчок, заряжая батарею малым током, пока напряжение на клеммах достигнет 3,1 В. После этого применяют стандартную схему.

Как контролируют параметры зарядки

Из-за работы литиевых батарей в небольших рамках тока на клеммах их запрещено разряжать ниже 3 В и перезаряжать выше 4,2 В. В зарядном устройстве (ЗУ) есть контроллер заряженности, но в каждом аккумуляторе присутствует свой прерыватель, РСВ-плата или модуль защиты РСМ. Эти элементы помогают сохранить батарею в норме. При нарушении какого-то параметра они отключают банку и разрывают цепь.

Для литиевых конструкций можно использовать оригинальные ЗУ или зарядки, сделанные своими руками:

• LP2951 помогает ограничить ток стабилизатором и устанавливает постоянное значение напряжения 4,08-4,26 В;
• LM317 является схемой простого ЗУ с индикатором заряда и отсутствием питания от порта USB;
• MCP73831 подходит для зарядки полимерных и ионных изделий;
• MAX1555, MAX1551 разработаны для литиевых батарей, устанавливаются в адаптер питания от смартфона в USB и имеют возможность предварительного заряжения.

Когда в АКБ есть несколько элементов, то они разряжаются неравномерно. При восполнении уровня энергии используют балансир, который распределяет заряд равномерно по всем банкам. Эта деталь может встраиваться в схему или находиться отдельно. При восполнении энергии в изделии емкостью 12 В (вольт) нужно знать, каким током воспользоваться, чтобы не нарушить его характеристики. Самодельные ЗУ с контроллером и защитой прибора подходят для этого.

Эксплуатация Li-ion батарей

Калибровка

Процедура представляет собой полное заряжение и последующее разряжение аккумулятора. Калибровку проводят раз в 3 месяца для того, чтобы контроллер изделия зафиксировал границы зарядки и разрядки. Когда процедура осуществляется вручную, сначала ждут отключения устройства, которое в дальнейшем ставят заряжаться. Длительность заряжения до полной заполненности можно посмотреть в паспорте, прилагающемся к аппарату.

Затем батарею вынимают и снова вставляют в прибор. Если уровень заряженности меньше 100%, то снова включают зарядник. Действия повторяют до того момента, пока включение не покажет полную зарядку. Для калибровки часто применяют утилиты для Android и IOS.

Хранение

До отправки аккумулятора на хранение его нужно зарядить. Значение заряда должно находиться в пределах 50%. Для лучшего сохранения емкости АКБ рекомендуется поддерживать 15°С в помещении, где находится изделие. Высокий температурный режим приводит к быстрой потере емкости аккумулятора. Во время длительного хранения необходимо проводить полное заряжение и разряжение, восполняя заряд на последнем этапе до 50%.

Чего не нужно делать с литий-ионными аккумуляторами

Во время использования литиевых АКБ запрещено:

1. Оставлять изделие в холодной комнате. Чувствительность прибора приведет к его полному разряжению в холодной среде.
2. Заряжать батарею без контроллера. Это допустимо, если нужно толкнуть изделие, подав на него короткий сильный заряд тока. Игнорирование правил безопасности недопустимо.
3. Нагревать элементы. Из-за активности лития в АКБ возникают непредсказуемые химические реакции, что вызывает возгорание. Чтобы этого не произошло, изделие не оставляют возле открытого огня, под солнечным светом и около других источников тепла.
4. Разбирать банку батареи. Нарушение герметизации может стать причиной воспламенения.

Основная часть техники работает от Li-ion аккумуляторов, как правильно заряжать и эксплуатировать такие батареи, необходимо знать каждому пользователю. Устройства получили популярность за счет компактности и высокого уровня энергосбережения.

Что представляет собой литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор представляет собой вид элемента питания (АКБ), на основе которого работает электронная техника и электромобили. Литий — самый легкий металл. Его электрохимический потенциал обеспечивает оптимальную характеристику плотности на единицу массы.

В отличие от устройств другого типа, литиевые аккумуляторы содержат отрицательные пластины из металлического лития. За счет этого батареи обладают высоким напряжением на всех элементах. Современные батареи имеют длительный срок службы за счет способности выдерживать множество циклов заряд-разряд и отсутствия «эффекта памяти».

Название «литий-ионный» произошло от основных используемых элементов:

• литий-феррофосфат;
• кобальтат лития;
• литий-марганцевая шпинель.

В качестве переносчика заряда выступают положительные ионы лития, которые свободно перемещаются в кристаллической решетке материала и провоцируют необходимую химическую реакцию.

Идентичными особенностями обладают литий-полимерные аккумуляторы. Главным отличием от Li-ion является отсутствие в составе жидкого электролита, а также высокая стоимость.

Как правильно заряжать Li-ion аккумулятор

При эксплуатации литий-ионных аккумуляторов, необходимо правильно заряжать устройство и контролировать этот процесс. Зарядка осуществляется по специальной схеме, а контроль при помощи дополнительных плат или обычного сопротивления (резистора).

Двухступенчатая схема зарядки

Двухступенчатая схема заряда является оптимальным способом зарядки литиевых аккумуляторов. В этом случае контроллер заряда имеет повышенную нагрузку, однако это не сказывается на сроке службы устройства.

Выполнение первого этапа зависит от того, каким током будет насыщаться устройство. Номинальная величина тока равна 0,2-0,5 С (С — емкость аккумулятора), а мощность 12,6 вольт. Постоянный зарядный ток обеспечивается путем работы зарядного устройства (ЗУ), которое поднимает потенциалы на клеммах аккумулятора. При отметке в 4,2 В батарея набирает 70-80% заряда, и первый этап заканчивается.

Второй этап характеризуется постоянным напряжением и постепенно снижающимся током. Устройство поддерживает потенциал на отметке 4,15-4,25 В и контролирует параметры тока. Чем выше показатель, тем меньше становиться ток. Величина 0.05-0.01 С говорит об окончании процесса.

Как контролируют параметры зарядки

Литиевые аккумуляторы нуждаются в контроле, так как они работают в узком диапазоне изменения напряжения. Оптимальным значением считается 3 — 4,2 В. Контроллер установлен в зарядном устройстве, однако каждая батарея имеет свои прерыватели и модули защиты. В случае нарушения какого-либо параметра защитная функция отключает банку и разрывает цепь.

Контроллер обеспечивает различные функции управления:

• переводит режимы CC/CV;
• контролирует подачу энергии в банках;
• подает ток, компенсирующий саморазряд;
• измеряет температуру, предотвращая порчу батареи;
• отключает зарядку.

Зарядить аккумулятор без контроллера можно, используя резистор, включенный последовательно с устройством. Собрать схему своими руками несложно, если предварительно будут рассчитаны сопротивление, мощность резистора и ток заряда.

Эксплуатация Li-ion батарей

Первую зарядку батареи после покупки новой техники необходимо выполнять после полного разряда. То есть заряжать его сразу не нужно, необходимо довести прибор до выключения, а потом зарядить полностью.

В первую очередь это касается телефонов и ноутбуков.

При эксплуатации устройств с литий-ионными батареями необходимо следить за местом их нахождения. В холодную и жаркую погоду важно контролировать температуру батареи, не допуская перегрева (переохлаждения). Для этого существуют специальные программы, с помощью которых отслеживаются показатели.

Работа при температуре выше 30°C сказывается на способности батареи держать емкость. Уровень падает с 100% до 80%. Когда устройство полностью зарядилось, следует отключать его от источника тока. В противном случае емкость аккумулятора со временем будет снижаться, и батарея выйдет из строя.

Современные блоки питания способны минимизировать поступающий ток после полного заряда. Однако такая функция не дает гарантии сохранности аккумулятора. Заряжать устройство необходимо при отметке 30-50%. Постоянная полная разрядка сопровождается выделением тепла в большем объеме, это негативно сказывается на состоянии батареи.

Не стоит подключать к питанию устройства, которые работали в стрессовом режиме и получили перегрев. В этом случае необходимо дождаться, пока температура снизится, и только после этого ставить заряжаться.

Чрезвычайно холодную батарею следует вытащить из техники и нагреть в руках, а затем вставить обратно.

Для устройств, которые допускают извлечение батареи, отличным решением является приобретение резервного аккумулятора. В этом случае время работы приспособления возрастает в 2 раза. Когда основной аккумулятор разряжается, в устройство помещается запасной элемент. Удобно решение для техники, которая быстро нагревается, так как сменное устройство дает время основному остыть.

Калибровка

Выделяют 2 метода калибрования:

Калибровка производится по схеме: полный разряд-полный заряд аккумулятора. Необходима процедура для восстановления показателей и корректной работы контроллера.

Второй метод отображает больше информации и позволяет осуществить дополнительные программные манипуляции. В остальном оба способа различий не имеют.

Вначале необходимо в стандартном режиме разрядить технику до выключения. Затем подключить к заряднику. Во время процедуры печатная плата батареи определяет предельные рамки зарядки и разрядки, это необходимо для предотвращения сбоев в дальнейшей работе.

Проводят калибровку 1 раз в 3 месяца.

Заряжают аккумулятор оригинальным прибором, который шел в комплекте с техникой. Отключать от сети устройство можно, когда индикатор заряда покажет 100%. Для достижения максимальной рабочей емкости рекомендуется провести 2-3 повторных цикла «разряд-заряд».

Хранение

Для предотвращения негативных воздействий на литий-ионный аккумулятор со стороны внешних факторов необходимо придерживаться таких правил:

• на время хранения батарею извлекать из устройства;
• перед извлечением рекомендуется зарядить аккумулятор до 50%;
• хранят источник в сухом и прохладном месте.

Норма температуры для содержания батареи +15…+17°С. Такие показатели обеспечивают максимальную сохранность элемента и его емкости.

Литий-ионные устройства имеют низкий показатель саморазряда, поэтому хранить их можно более 2 лет. Однако избежать потери емкости невозможно, даже выполняя правильные условия хранения. Независимо от того, сколько зарядное не будет использоваться, необходимо каждые 3 месяца делать калибровку, а после нее возвращать уровень заряда до 50%.

Чего не нужно делать с литий-ионными аккумуляторами

Предотвращение перегрева является залогом длительной работы батареи. Литий — активный щелочной металл, поэтому при нагреве в аккумуляторе может начаться реакция, приводящая к воспламенению. Запрещается держать литий-ионные батареи вблизи источников солнечных лучей, батарей и открытого огня. Особенно это касается смартфонов и ноутбуков.

Наряду с перегревом нельзя допускать и переохлаждения. Губительных последствий низкие температуры не вызовут, однако снизят емкость батареи.

Запрещено разбирать аккумуляторный элемент. Такая процедура приводит к воспламенению. Нельзя заряжать элемент в обход контроллера. Исключение делают лишь в случае, если аккумулятор необходимо вывести из состояния глубокого разряда.

Как заряжать Li-Ion (литий-ионный) аккумулятор и 7 правил эксплуатации Август 2021

[wpsm_box type=»info» float=»none» text_align=»left»]
Из данной статьи вы поймете как правильно заряжать Li-Ion (литий-ионный) аккумулятор, а так же научитесь его правильной эксплуатации и обслуживанию. Подобные знания продлят жизнь вашей батареи.
[/wpsm_box]

Литий-ионный аккумулятор получил столь широкую распространенность благодаря простоте производства, невысокой стоимости и большому количеству циклов зарядки-разрядки. Но чтобы оценить эти преимущества, необходимо правильно эксплуатировать Li-Ion аккумулятор.

Правила эксплуатации меняются в зависимости от типа аккумулятора. Например, батареи Ni-MH и Ni-Cd необходимо полностью разряжать перед зарядкой. В противном случае происходит укрупнение элементов, и объем аккумулятора снижается. Однако правило «купил телефон – разряди его в «ноль», а потом заряди и повтори цикл несколько раз» не является универсальным и к Li-Ion не относится.

Поэтому прежде чем применять указанные ниже рекомендации, посмотрите на аккумулятор. На нем должно быть написано, что он литий-ионный (Li-Ion). Только в этом случае пользуйтесь следующими правилами эксплуатации.

СодержаниеПоказать

Не разряжайте аккумулятор в «ноль» слишком часто.

Полностью разрядить аккумулятор всё равно не получится. Защитная плата отключает устройство при достижении определенного минимума. Полная разрядка возможна лишь в случае, если вы разберете батарею и уберете защитную плату. Li-Ion и Li-Pol аккумуляторы не переносят частой полной разрядки. Поэтому они и продаются заряженными на 2/3.

Ставьте устройство заряжаться, когда на батарее остается 10-20%

Сообщение типа «Пожалуйста, подключите зарядное устройство», появляется при достижении заряда отметки в 10-20% не просто так. Следуйте рекомендациям производителей и подключайте зарядное устройство.

Но не обязательно дожидаться такого падения. Если есть возможность поставить телефон или ноутбук на зарядку, сделайте это. Регулярная подзарядка не является панацеей, но чем чаще вы заряжаете Li-Ion, тем дольше он будет работать.

Периодически калибруйте батарею

Калибровка подразумевает полную разрядку и последующую зарядку устройства. Никакого противоречия с первым правилом: калибровку необходимо делать примерно раз в три месяца.

Калибровка не продлевает срок службы аккумулятор напрямую, а лишь помогает контроллеру правильно определять емкость батареи. Если контроллер определяет количество заряда неправильно, устройство приходится чаще заряжать. Тратятся циклы зарядки-разрядки, аккумулятор быстрее выходит из строя.

Используйте оригинальное зарядное устройство

Оригинальность в контексте рассматриваемой проблемы нужна, чтобы обезопасить себя от использования некачественной продукции. Если же вы уверены, что технические характеристики стороннего устройства соответствуют характеристикам оригинального зарядника, то никаких проблем не возникнет.

Старайтесь не пользоваться «лягушками»

По возможности откажитесь от зарядки аккумуляторов с помощью лягушки. Использование несертифицированных устройств небезопасно, бывают случаи, что «лягушки» воспламеняются в процессе зарядки.

Если всё же используете «лягушку», обратите внимание на информацию, указанную на корпусе. Если максимальная емкость ниже, чем объем аккумулятора, то батарея просто не зарядится до конца. К выбору Power Bank требования аналогичные — внешний аккумулятор должен подходить устройству по всем параметрам.

Храните аккумулятор с небольшим количеством заряда

Хранить Li-Ion аккумуляторы необходимо заряженными. Уровень заряда должен быть на уровне 30-50%. Если от холода или долгого хранения аккумулятор полностью разрядится, защитный контроллер его отключит, так что ничего страшного не произойдет.

Не допускайте перегрева и чрезмерного охлаждения

Литий-ионные батареи нельзя оставлять под прямыми солнечными лучами и подвергать воздействию высоких температур. Максимально допустимые температуры использования таких аккумуляторов – от -40 C до +50 C. Однако при температуре -40 C работают только специальные морозоустойчивые серии, обычные батареи отключаются уже при -20 C.

Как заряжать Li-Ion (литий-ионный) аккумулятор и правила эксплуатации

5 (100%) 2 голос.

Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторов

Практически все наши покупатели задают вопросы о сроке службы и эксплуатации электросамокатов CityCoco и в большей степени они касаются аккумуляторных батарей. Наиболее часто задаваемые вопросы касаются  долговечности АКБ: — Сколько служит аккумулятор? — Как правильно заряжать аккумулятор? — Надо ли его полностью разряжать перед тем, как ставить на зарядку?   — Как продлить срок службы АКБ? и так далее.

Все эти вопросы просто обязывают нас ещё раз вернуться к теме обсуждения аккумуляторных батарей, которые устанавливаются на электрические самокаты CityCoco. В своей статье «Что скрывает аккумулятор?» https://electrodrive.by/news/Chto_skryvaet_akkumulator_CityCoco от 27.08.18г. мы постарались максимально расписать, как устроена литий-ионная аккумуляторная батарея, какие подводные камни могут ждать покупателей при приобретении самокатов с некачественными аккумуляторами, рассказали, какие батареи используем мы и так далее. Но одного обзора не достаточно, что бы дать ответы на все вопросы. Поэтому сейчас кратко пройдёмся по самым основным моментам, которые касаются непосредственно эксплуатации и хранения литий-ионных аккумуляторов.

Итак, в электрических самокатах (электроскутерах) CityCoco используются li-ion аккумуляторные батареи, имеющие в среднем не менее чем 80% от первоначальной ёмкости после 500 циклов (полных зарядов и разрядов). После этого батарея продолжит работать, просто её ёмкость будет постепенно снижаться. То есть при правильной эксплуатации, например, если электросамокат в среднем проезжает 40 км на одном заряде, то Вашего аккумулятора хватит не менее чем на 20 000 км общего пробега. А это для 2-х колёсного транспорта совсем не мало. И даже после этого он прослужит еще некоторое время. Просто запас хода будет постепенно снижаться. А если учесть, что хороший райдер за сезон проезжает максимум 4 000 км, то не трудно высчитать срок службы Вашего аккумулятора, и составит он минимум 5 лет.

Данные расчеты актуальны только для качественных li-ion аккумуляторов и при условии надлежащей их эксплуатации и хранения. Так как срок службы аккумулятора может значительно изменяться при определенных условиях.

Производитель же аккумуляторных батарей, используемых в электрических самокатах CityCoco ElectroDrive, заявляет не менее 1000 циклов при правильных условиях эксплуатации.

Li-ion аккумуляторы не обладают эффектом памяти, поэтому нет необходимости специально разряжать батарею до конца перед тем, как поставить её на зарядку. Следует помнить, что полные заряд и разряд быстрее изнашивают батарею, а неполные циклы, напротив, продлевают ей жизнь (таблица А). Поэтому, по возможности, заряжайте аккумулятор, когда он еще не разрядился. При полной же разрядке аккумулятора постарайтесь поставить его на зарядку в течение первых суток и не в коем случае не оставляйте полностью разряженный аккумулятор на длительное время. Иначе балансировочная плата BMS может уйти в защиту и не даст включить Ваш аккумулятор. Также не оставляйте электроскутер на зарядке более чем на сутки. Контроллер хоть и отключает зарядное устройство при полном наборе ёмкости АКБ, но периодически подача тока будет включаться, и постоянное пренебрежение этим пунктом будет изнашивать аккумулятор. Несмотря на то, что неполные циклы продлевают срок службы батареи, рекомендуется все же заряжать аккумулятор до конца хотя бы один из 10 раз и после этого оставлять на несколько часов подключенным к зарядному устройству. Это делается для балансировки АКБ. Как уже известно из предыдущей статьи, li-ion батарея Citycoco состоит из большого количества маленьких элементов размером 18650, напряжение на которых должно быть всегда одинаково. При разряде аккумуляторной батареи возникает небольшая разница в напряжении на каждом из элементов. Поэтому для их стабилизации существует балансировочная плата, которая при окончании заряда выравнивает напряжение на всех элементах питания. Если никогда не заряжать батарею до конца и не давать ей выровнять напряжение, то ее ресурс снизится! Также стоит учесть, что использование очень длинного, либо некачественного удлинителя может снизить напряжение сети, следовательно и напряжение на выходе зарядного устройства тоже будет ниже, что может привести к неполному заряду батареи и невозможности запуска процесса балансировки.

Ещё один фактор, влияющий на срок службы АКБ в зависимости от условий эксплуатации – это сила тока при зарядке. Чем она больше тем меньше срок службы Вашего аккумулятора. Особенно это следует учитывать при эксплуатации электросамоката в холодную пору года и при отрицательных температурах. Большой ток зарядки при температуре ниже 0°С может значительно снизить ресурс аккумулятора. Если у Вас есть необходимость заряжать электросамокат при минусовых температурах, пользуйтесь зарядным устройством с маленьким током заряда. Но по возможности старайтесь заряжать аккумулятор в тепле, а уже перед поездкой устанавливайте его на самокат. Хоть в руководстве и написано, что эксплуатировать электросамокат можно при температурах от -10°С до +45°С, следует помнить, что при отрицательных температурах запас хода естественно будет снижаться. Вместе с этим будет проседать и ёмкость АКБ. Поэтому при постоянной эксплуатации в зимнее время ресурсный срок службы аккумулятора тоже будет снижаться. Помните: при езде в мороз следует избегать резких стартов и движений на высокой скорости, особенно в первые 5-10 минут эксплуатации. Аккумулятор должен прогреть себя сам изнутри.

Если Вы не собираетесь использовать электросамокат в холодное время года (3-5 месяцев), зарядите аккумулятор до 60-80% от его ёмкости и отключите его от сети питания скутера. Подзаряжать хорошую качественную батарею в течение такого периода времени не нужно.

Если же Вы не собираетесь использовать электроскутер долгое время (больше 5 месяцев), но хотите сберечь его аккумулятор в рабочем состоянии, знайте, что вопреки бытующему мнению о хранении аккумуляторов в тепле, лучше всего литий-ионные батареи хранятся при температуре  от 0°С до +5°С. Чем выше температура окружающей среды и чем ближе степень заряда к 100%, тем быстрее батарея стареет и теряет емкость (см. таблицу Б). Лучше всего зарядить её до 60%, извлечь из аппарата, упаковать в герметичный полиэтиленовый пакет и положить в холодильник (не путать с морозильной камерой!) или подвал (погреб). В этом случае раз в 3-4 месяца необходимо проверять ёмкость батареи и при необходимости подзаряжать её.

 

Глубина разряда Количество циклов разряда 100% 500 50% 1500 25% 2500 10% 4700	Температура, °C 40%-ный уровень заряда 100%-ный уровень заряда 0°C 98% через 1 год 94% через 1 год 25°C 96% через 1 год 80% через 1 год 40°C 85% через 1 год 65% через 1 год 60°C 75% через 1 год 60% через 1 год
Таблица А. Срок службы (количество циклов) в зависимости от глубины разряда	Таблица Б. Деградация характеристик литий-ионных аккумуляторов в связи с температурой хранения и степенью заряда

 

Соблюдая все вышеуказанные рекомендации, Вы можете, как минимум сохранить, а как максимум — продлить срок службы li-ion аккумулятора Вашего электросамоката.

 

Ну и не следует забывать, что сейчас на рынке достаточно много случаев, когда продавец, либо его поставщик экономят и ставят аккумуляторную батарею плохого качества или не соответствующую заявленным характеристикам, о чём мы писали ранее. Поэтому доверяйте только проверенным продавцам.

У нас в магазинне в Минске Вы можете выбрать литий-ионные аккумуляторы различной ёмкости и формы. Все они находится на гарантии и соответствуют заявленным характеристикам.

Рекомендации по эксплуатации литий-ионного аккумулятора для электровелосипеда

Электровелосипед стал надежным спутником современного человека, и каждый его владелец заинтересован продлить жизнедеятельность аккумулятора. Наиболее распространенным видом аккумулятора для такого транспорта является литий-ионный аккумулятор на основе литий-марганцевого электролита.

 

Главным преимуществом литий-ионных аккумуляторов является их энергоплотность. Именно этот вид батарей обладает самым высоким уровнем энергоплотности, благодаря чему снижается вес аккумулятора по сравнению с другими видами, будь то иные разновидности литиевых батарей или никель-металл-гидридных, не говоря уже о свинцово-кислотных.

Что касается времени зарядки литий-ионных батарей, то оно достаточно короткое. При простом заряде батареи около 90% емкости восстанавливается за 1-2 часа,  а при быстром заряде за 45 минут.

Ресурс использования таких аккумуляторов высок и равен около 1000 циклов заряд/разрядов до падения мощности в 70%.

Данный вид батарей характеризуется низким показателем саморазряда, который составляет до 5% в месяц.

Не смотря на столь явные преимущества, литий-ионные аккумуляторы имеют и ряд недостатков:

1) При механическом повреждении или перезарядке существует вероятность взрыва. Поэтому все современные литий-ионные аккумуляторы поставляются с системой электронной защиты (плата BMS).

2) По истечении пятилетнего срока характеристики большинства аккумуляторов резко снижаются.

3) Литий-ионные батареи оснащены сложной системой управления.

4) При высокой температуре эксплуатации батареи снижается ее емкость.

Выполнение простых правил эксплуатации и хранения литий-ионного аккумулятора для электровелосипеда помогут существенно повысить срок его службы:

1. Перед началом эксплуатации аккумулятор требуется полностью зарядить. При этом, можно воспользоваться стабилизаторами напряжения, которые позволяют избегать резких скачков напряжения сети.

2. Полностью разрядить литий-ионный аккумулятор после его первоначальной зарядки, после этого его необходимо сразу зарядить.

3. Избегайте влажной среды и отрицательных температур при зарядке аккумулятора.

4. Если батарея побывала на морозе, необходимо дождаться, пока она не прогреется до положительной температуры.

5. Предохраняйте от попадания влаги электрические контакты АКБ.

6. Не подвергайте аккумулятор короткому замыканию в процессе зарядки, а также в процессе эксплуатации.

7. Не подвергайте батарею физическим ударам, механическим повреждениям и интенсивной вибрации.

8. Заряжайте АКБ только специальным устройством, которое идет в комплекте с батареей.

Эти простые рекомендации и правила помогут продлить срок службы литий-ионного аккумулятора для электровелосипеда.

 

Транспортировка литиевых батарей | PHMSA

Батареи вплетены в ткань современной американской жизни. Они питают портативные компьютеры, телефоны и аудиоустройства. Они делают возможным использование моторизованных инвалидных колясок и аккумуляторных инструментов. Мы стали полагаться на аккумуляторы, чтобы вести все более мобильный образ жизни. Сегодняшние батареи содержат больше энергии, чем когда-либо, что делает возможным постоянно растущее количество устройств с большей мощностью на рынке. Но с такой повышенной мощностью возникает больший риск и необходимость управлять риском.

Литиевые батареи

считаются опасным материалом в соответствии с Правилами обращения с опасными материалами Министерства транспорта США (DOT) (HMR; 49 C.F.R., части 171-180). HMR применяется к любому материалу, который, по мнению DOT, может представлять необоснованный риск для здоровья, безопасности и имущества при коммерческой транспортировке. ¹ Литиевые батареи должны соответствовать всем применимым требованиям HMR, когда предлагаются для транспортировки или перевозятся по воздуху, шоссе, железной дороге или водным транспортом.

Почему литиевые батареи регулируются при транспортировке? Литиевые батареи

представляют опасность как с химическим, так и с электрическим током.Опасности включают химический ожог, пожар и поражение электрическим током. Батареи могут быть опасны, если они не упакованы надлежащим образом и не используются при транспортировке. Неправильное использование, неправильное обращение, неправильная упаковка, неправильное хранение, перезарядка или дефектные батареи могут привести к короткому замыканию, перегреву, а иногда и к возгоранию. Большинство производимых сегодня литиевых батарей содержат горючий электролит и имеют более высокую плотность энергии. Они могут перегреваться и воспламеняться при определенных условиях, а после возгорания их трудно потушить.Кроме того, хотя литиевая батарея является редким явлением, она подвержена тепловому разгоне, цепной реакции, приводящей к резкому высвобождению накопленной энергии.

Ресурсы для грузоотправителей :

Вне зависимости от того, отправляете ли вы одну батарею, пакет с батареями на поддоне или устройство с батарейным питанием, безопасность вашей посылки и людей, которые с ней работают, зависит от соблюдения этих правил. Для отправлений с использованием других перевозчиков, кроме Почтовой службы США, см. 49 CFR 173.185 для подробных требований, связанных с поставками литиевых батарей, в том числе содержащихся в электронных устройствах.

«Как безопасно отправить аккумуляторы и флаер об аккумуляторах»

Ресурсы для производителей :

По соображениям безопасности литиевые батареи должны подвергаться серии испытаний конструкции в соответствии с подразделом 38.3 Руководства ООН по испытаниям и критериям. Однако поставщики и потребители, находящиеся ниже по цепочке, часто не могут подтвердить, успешно ли прошла проверка их батареи.Чтобы решить эту проблему, некоторые производители литиевых аккумуляторов и устройств предоставляют листы информации о продуктах с этой информацией, однако это не является широко распространенной практикой. В Типовых правилах ООН теперь содержится требование к производителям и дистрибьюторам литиевых батарей предоставлять сводки испытаний (TS) литиевых батарей с использованием стандартизованного набора элементов.

Ресурсы для пассажиров авиакомпаний :

Если вы планируете поездку, вы можете взять с собой портативный компьютер, мобильный телефон, фотоаппарат, персонального цифрового помощника или другие устройства с батарейным питанием, поскольку эти предметы по-прежнему безопасны для полета! Батареи представляют небольшой риск, когда они содержатся в устройствах, которые они питают, если приняты меры для предотвращения случайного включения.Запасные батареи можно упаковать в ручную кладь, если приняты меры по защите от короткого замыкания.

https://www.faa.gov/about/initiatives/hazmat_safety/

https://www.tsa.gov/travel/security-screening/whatcanibring/items/lithium-batteries-100-watt-hours-or-less-device

https://www.tsa.gov/travel/security-screening/whatcanibring/items/lithium-batteries-more-100-watt-hours

https://www.tsa.gov/travel/security-screening/whatcanibring

Ресурсы по безопасности потребительских товаров :

Комиссия по безопасности потребительских товаров (CPSC) — это независимое федеральное регулирующее агентство, задачей которого является защита здоровья и безопасности населения от необоснованных рисков травм или смерти, связанных с использованием тысяч типов потребительских товаров, включая литиевые батареи. продукты с питанием.Компания CPSC получила жалобы потребителей, а также отчеты производителей и розничных продавцов, связанные с опасностями, связанными с аккумуляторами и зарядными устройствами. Потенциальные опасности включают перегрев, пожар, поражение электрическим током от зарядных устройств, термические ожоги, воздействие щелочных электролитов батарей или выброс внутренних компонентов батарей с большой скоростью. Сообщалось об инцидентах с аккумулятором во время использования продукта, во время хранения и во время зарядки аккумулятора. Было много отзывов, касающихся литий-ионных аккумуляторов / аккумуляторных блоков / зарядных устройств для использования в сотовых телефонах, портативных вычислительных устройствах и других персональных электронных продуктах.Также был отмечен ряд отзывов о батареях других технологий, используемых в таких продуктах, как игрушки для катания на батарейках и портативные инструменты с батарейным питанием.

www.cpsc.gov/Volvention-Standards/Batteries

https://www.cpsc.gov/Safety-Education

Горячая линия CPSC: 1-800-638-2772

Утилизация аккумуляторов:

https://www.osha.gov/SLTC/recycling/recycling_batteries.html

Безопасность литиевых батарей в Северной Америке

PHMSA тесно сотрудничает со своими партнерами в Управлении по транспортировке опасных грузов Transport Canada.Для получения информации о транспортировке литиевых батарей в Канаду см. Приведенные ниже ссылки на инструкции, выпущенные Transport Canada:

https://www.tc.gc.ca/eng/tdg/shipping-importing-devices-contain-lithium-batteries.html

http://www.tc.gc.ca/eng/tdg/marks-safety-1225.html

http://www.tc.gc.ca/eng/tdg/publications-bulletins-safety-marks-1279.html

http://www.tc.gc.ca/eng/tdg/publications-menu-1307.html

Вот правила обращения с литий-ионными аккумуляторами

Недавняя презентация предложила несколько советов о том, как лучше всего обеспечить соблюдение закона при транспортировке литий-ионных аккумуляторов. | Xh3 / Shutterstock

Батареи бытовой электроники подлежат все более строгому регулированию, поскольку они могут быть проблематичным материалом в потоке вторичной переработки. Эксперты недавно разработали федеральные правила перевозки литий-ионных аккумуляторов, предназначенных для переработки или утилизации.

Литий-ионные батареи

используются в самых разных продуктах, включая сотовые телефоны, планшеты, компьютеры, электронные сигареты, электроинструменты и многое другое. По оценке ассоциации Portable Rechargeable Battery Association (PRBA), более 5.Ежегодно во всем мире производится 5 миллиардов литий-ионных аккумуляторных элементов.

«В конечном итоге эти батареи попадут в потоки отходов или вторичной переработки, когда люди закончат их использовать», — сказал Брэндон Брей, физик из Агентства по охране окружающей среды США, на недавнем вебинаре Агентства по охране окружающей среды.

Эти батареи становятся все более распространенными, потому что их химический состав позволяет изделиям быть легче, а также сохранять более высокий заряд в течение более длительных периодов времени. Но эти же факторы влияют на некоторые из связанных с ними опасностей, представленных растущим числом пожаров на муниципальных предприятиях по переработке отходов, заводах по переработке электронного лома и т. Д.

Поскольку они могут быть очень летучими, транспортировка литиевых батарей регулируется Министерством транспорта США (USDOT) через Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов (PHMSA).

«Неправильно упакованные литиевые батареи представляют собой значительный риск серьезного инцидента и высвобождения накопленной энергии», — сказал Нил Сучак, член группы по оказанию помощи в области безопасности при работе с опасными веществами, во время презентации на вебинаре. «Температурный разгон может привести к самонагреву и высвобождению накопленной энергии, что приведет к возгоранию, взрыву и выбросу горючих газов.”

Когда требуется специальная упаковка?

Грузоотправители должны принимать меры предосторожности при транспортировке литий-ионных батарей, и Сучак дал несколько советов о том, как лучше всего обеспечить соблюдение закона.

Прежде всего, любой, кто занимается доставкой аккумуляторов, должен указать тип аккумулятора, так как это определит все дальнейшие действия, которые необходимо предпринять.

«Некоторые батареи — щелочные батареи, типы AA, сухие батареи — предъявляют очень мало требований, тогда как литий-ионные батареи представляют гораздо больший риск», — пояснил Сучак.

Идентификация и классификация батарей по сути означает их сортировку по химическому составу. По словам Сучака, это в основном выполняется вручную, и USDOT рекомендует, чтобы лица, занимающиеся сортировкой аккумуляторов, прошли специальную подготовку по идентификации аккумуляторов.

Для перевозки литий-ионных аккумуляторов требуются простые ярлыки с указанием типа аккумулятора и предупреждением о том, что пакет нельзя перевозить на пассажирском самолете. | Фото любезно предоставлено Агентством по охране окружающей среды США.

Некоторые батареи имеют специальную маркировку, указывающую на их химический состав, другие могут быть идентифицированы по физическим характеристикам батареи, таким как вентиляционные отверстия на батарее или измерение напряжения батареи. Литий-ионные батареи обычно являются перезаряжаемыми и обычно имеют цилиндрическую или прямоугольную форму.

Кроме того, Сучак сказал, что некоторые производители будут определять типы батарей с помощью определенных цветов, хотя он отметил, что сортировка батарей по цвету не рекомендуется.«Это не совсем надежный способ идентифицировать батарею, поскольку нет нормативных стандартов для цвета», — сказал он.

Литий-ионные батареи

используют измерения в ватт-часах для классификации уровней накопления энергии в батареях (часто соответствующих размеру), что является важным фактором при соблюдении нормативных требований; как правило, чем больше размер батареи, тем больше действуют правила. Например, батареи мощностью не менее 300 и более ватт-часов могут быть доставлены только наземным транспортом. Как правило, батареи, используемые в бытовой электронике, с которыми сталкиваются фирмы, занимающиеся утилизацией электронного лома, относятся к более мелким категориям аккумуляторов.

Какая упаковка необходима?

По словам Сучака, правила упаковки литий-ионных аккумуляторов по автомобильным дорогам на места утилизации или переработки зависят от их характеристик. Это означает, что упаковка должна соответствовать определенным требованиям, но USDOT не указывает, какую именно упаковку необходимо использовать.

Для небольших литий-ионных батарей, используемых в бытовой электронике, надлежащая упаковка обычно включает, как минимум, как внутреннюю, так и внешнюю упаковку. Внутренняя упаковка должна быть неметаллической, полностью закрывать аккумулятор и его клеммы, а также предохранять аккумулятор от контакта с любым проводящим материалом.Не отделяя батареи друг от друга, их клеммы могут соприкоснуться и вызвать короткое замыкание и возможное возгорание.

«Внутренняя упаковка может сразу повлиять на безопасность транспортировки аккумулятора», — сказал Сучак.

Обычные внутренние упаковочные материалы включают пластиковые пакеты и кожухи из ленты, гарантирующие, что материал полностью окружает элемент или батарею. Это может означать, что каждую батарею нужно обмотать лентой или положить каждую в отдельный пакет.

Между внутренней и внешней упаковкой может потребоваться подушка для удовлетворения требований к характеристикам за счет предотвращения смещения батарей или их случайной активации внутри упаковки, сказал Сучак.

«На аккумуляторы не должно влиять нормальное переключение передач, нормальная вибрация или, возможно, небольшие проблемы при обращении, такие как небольшое падение или во время процесса загрузки и разгрузки», — сказал Сучак.

При необходимости прокладочные материалы не должны вступать в реакцию с батареями, пояснил он. Это может быть пузырчатая пленка, диатомит или вермикулит.

По словам Сучака, внешняя упаковка должна быть из жесткого, прочного и прочного материала и должна быть сконструирована таким образом, чтобы удерживать содержимое. Пакет должен соответствовать требованиям к характеристикам с высоты четырех футов.

В прошлом гибкие материалы, такие как мягкие конверты, считались приемлемыми для транспортировки небольших батарей, и они действительно выдерживают испытание на падение, отметил Сучак. Но они недостаточно защищают батареи от проколов или других прямых ударов, и в нормативный текст были внесены поправки, чтобы добавить «жесткое» требование.

Сообщать об опасности другим

Несмотря на то, что существует множество правил маркировки выброшенных литий-ионных батарей, Сучак отметил, что для сектора утилизации большая часть требований по оповещению об опасности не обязательна.

«Ваши требования в основном будут ограничиваться маркировкой упаковки, причем довольно простой маркировкой», — сказал он.

Знак обращения с литиевыми батареями — это стандартный значок, который необходимо наносить на упаковки с литиевыми батареями. Знак показывает несколько литий-ионных аккумуляторов, в том числе один с трещиной и выходящим пламенем.

Неправильно упакованные батареи могут вызвать тепловые явления, вызывающие многочисленные проблемы с безопасностью. Фото любезно предоставлено Агентством по охране окружающей среды США.

Под значком должны быть указаны два числа: номера Организации Объединенных Наций, которые определяют химический состав батарей и были ли батареи сняты с оборудования, а также номер телефона того, кто может предоставить основную информацию о том, откуда была отправлена ​​партия, в том числе откуда она пришла и сколько батарей в нем.Телефонный номер не нужно контролировать 24 часа в сутки.

Эти этикетки доступны в виде предварительно отпечатанных или пустых от различных коммерческих поставщиков, объяснил Сучак, и грузоотправителям разрешается писать свою информацию на этикетке от руки.

Для многих грузов также потребуется формулировка, указывающая на то, что их запрещено перевозить на борту пассажирских самолетов, независимо от того, отправляются ли они наземным транспортом.

Отправления весом более 66 фунтов имеют дополнительные требования к маркировке, хотя компании по переработке небольших потребительских батарей могут избежать этого, разбив партии на несколько более мелких партий.

Обращение с поврежденной аккумуляторной батареей

Другая часть управления опасностями, связанными с батареями, — это изоляция поврежденных батарей, которые представляют «уникальную угрозу безопасности», сказал Сучак, поскольку они подвергаются наибольшему риску возникновения пожара. Это означает, что при транспортировке поврежденные батареи требуют дополнительной идентификации и обращения.

«Для грузоотправителя или перерабатывающего предприятия очень важна возможность выяснить эти поврежденные батареи, неисправные батареи или отозванные батареи. Я действительно не могу переоценить, насколько это важно », — сказал он.

Однако это сложно, потому что повреждения могут быть неочевидными. Сучак предложил несколько ключевых идентификаторов, на которые следует обратить внимание: поврежденные батареи могут выделять необычный тепло или запах, могут протекать или выделять воздух, а также могут иметь очевидные физические или механические повреждения.

Транспортировка поврежденных батарей раньше была запрещена, но теперь разрешена многими правилами, включая то, что каждая поврежденная батарея должна быть индивидуально упакована. Транспортировка их, отметил Сучак, может быть довольно дорогостоящим.

Помимо этих правил, существуют «чрезвычайно распространенные» специальные разрешения, которые могут выдаваться компаниям в индивидуальном порядке.По сути, это позволяет компаниям предпринимать действия, не разрешенные иным образом в нормативных актах, но обеспечивающие эквивалентный уровень безопасности.

PHMSA предлагает различные учебные модули и информационные ресурсы, связанные с правилами перевозки аккумуляторов.

Другие статьи о регулировании / надзоре

Аккумуляторная батарея онлайн | DOT выпускает новое правило перевозки литиевых батарей

От аккумулятора Интернет-персонал

13 марта 2019 г. | 6 марта Департамент транспорта и безопасности трубопроводов и опасных материалов выпустил временное окончательное правило о повышенных мерах безопасности при транспортировке литиевых батарей.Правило добавило дополнительные требования к маркировке и маркировке грузов литиевых батарей, перевозимых автомобильным, железнодорожным и воздушным транспортом.

Правило запрещает перевозку литий-ионных элементов и батарей в качестве груза на пассажирских самолетах; требует, чтобы литий-ионные элементы и батареи были отправлены с уровнем заряда не более 30 процентов на борту воздушного судна, предназначенного только для грузовых перевозок, когда они не упакованы или не содержатся в оборудовании; и ограничивает использование альтернативных положений для небольших партий литиевых элементов или батарей одной упаковкой на партию.Правило не запрещает пассажирам или членам экипажа проносить на борт самолета личные вещи или электронные устройства, содержащие литиевые элементы или батареи.

Период обсуждения временного окончательного правила открыт до 6 мая 2019 г., но правило вступает в силу немедленно.

Литиевые батареи

требуют дополнительных мер безопасности, потому что, в отличие от других опасных материалов, литиевые батареи содержат как химические, так и электрические опасные вещества. «Эта комбинация опасностей при возникновении пожара, охватывающего значительное количество литиевых батарей, может превысить возможности пожаротушения самолета и привести к катастрофической гибели самолета», — говорится в правиле.

Основное требование по маркировке / маркировке также включено в IFR, которое влияет на автомобильные и железнодорожные перевозки, содержащие исключенные ионно-литиевые элементы (≤ 20 Втч) и батареи (≤ 100 Втч), отправленные в соответствии с 49 CFR § 173.185 (c). Эти типы грузов уже должны были иметь маркировку литиевых батарей, но теперь они также должны иметь либо маркировку «ЛИТИЕВЫЕ ИОННЫЕ БАТАРЕИ — ЗАПРЕЩАЕТСЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ НА БОРТУ ПАССАЖИРСКИХ САМОЛЕТОВ», либо маркировку «ТОЛЬКО ДЛЯ ГРУЗОВЫХ САМОЛЕТОВ». Важно отметить, что это требование также распространяется на литий-ионные элементы и батареи, содержащиеся в оборудовании / упакованные с оборудованием (UN3481), если вес упаковки превышает 5 кг.

По словам Брайана Битца, менеджера по нормативно-правовым вопросам и корпоративной ответственности Labelmaster, «нормативные требования к транспортировке литиевых батарей являются сложными и продолжают расширяться, а изменение правил в зависимости от способа транспортировки только усугубляет путаницу и увеличивает вероятность ошибок. . Новый IFR, как правило, гармонизирует правила DOT и ИКАО, что способствует дальнейшему повышению безопасности в отрасли за счет принятия мер по предотвращению случайной загрузки автономных литий-ионных аккумуляторов в воздушные суда, что может произойти при мультимодальных перевозках.”

В отличие от большинства изменений правил транспорта, здесь нет переходного периода. Это делает критически важным для компаний, занимающихся транспортировкой литиевых батарей, понимание изменений и обеспечение немедленного рассмотрения жалоб своих организаций на новые правила. Labelmaster резюмировал, что грузоотправителям следует делать немедленно:

• Ознакомьтесь с последними нормативными актами и поймите, как они влияют на вашу деятельность
• Используйте ярлыки «Только для грузовых самолетов» при перевозке литиевых батарей, которые соответствуют критериям
• Внедрите надлежащие процессы для обеспечения безопасности и соответствия всех поставок по всей цепочке поставок
• Станьте партнером эксперта по нормативным вопросам, чтобы ответить на вопросы и помочь обеспечить соблюдение нормативных требований

Литий-ионные батареи — обзор

3.5.1 Литий-ионные батареи

Литий-ионные батареи широко используются в большом разнообразии миниатюрного электронного оборудования. Эти типы батарей в основном состоят из катода, погруженного в раствор электролита, разделенного селективной мембраной и анодом на основе лития. Производительность литий-ионных батарей всегда зависит от проводимости электродов. Поэтому исследователи приложили столько усилий к развитию электрохимических свойств электродов путем разработки и применения ряда новых материалов [127].

Недавно наноматериалы на основе графена были успешно использованы для литий-ионных аккумуляторов из-за их превосходных характеристик, таких как их легкий вес, большой рабочий потенциал, относительно высокая плотность энергии, большая способность к перезарядке и низкий саморазряд [128–133] .

Графен и наноматериалы на основе графена, которые имеют пористую структуру, широко используются для литий-ионных батарей, поскольку эти уникальные наноматериалы обеспечивают легкий перенос электронов и ионов в материалах электродов литий-ионных батарей.Чтобы обеспечить питание новых устройств и приложений, необходимо модернизировать литий-ионные батареи с точки зрения их надежности и производительности [134–140].

Как правило, перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы работают за счет переноса ионов лития в процессе зарядки и разрядки. Основными компонентами ячеек литий-ионных аккумуляторов являются катод, анод и электролит. Хотя литий-ионные батареи используются в качестве важнейшего инструмента для современных миниатюрных и перезаряжаемых электронных устройств, они обладают некоторыми серьезными недостатками, включая их высокую стоимость, низкую плотность энергии и ограниченный срок службы.Чтобы преодолеть эти недостатки, различные углеродные наноматериалы были испытаны в качестве компонентов литий-ионных батарей. Среди этих наноматериалов ОГ, графен, нанокомпозиты на основе графена и их производные вызвали большой интерес для хранения лития в качестве анодных материалов в литий-ионных батареях из-за их уникальных свойств, включая большую площадь поверхности, высокую проводимость и отличную подвижность носителей заряда [141–14]. 145]. Основное преимущество нанокомпозитов на основе графена вместо использования листов чистого графена в литий-ионных аккумуляторах заключается в том, что вторичный наноматериал, такой как углеродные нанотрубки, обладает способностью предотвращать агрегацию и потерю внутренней поверхности при использовании нескольких слоев графена [146].Различные типы оксидов переходных металлов (например, олова, никеля, железа и меди) были эффективно объединены с графеном для разработки новых и высокоэффективных электродных материалов для литий-ионных батарей [147,148].

Обширные исследования были также сосредоточены на изучении диффузионных пределов для ионов лития в электродных материалах [149]. Для этого были протестированы различные макро- и микроструктурированные материалы путем тщательной компоновки графеновых нанолистов или нановолокон для уменьшения длины диффузионного пути ионов лития [149].

Обзор

— управление тепловой безопасностью в литий-ионных аккумуляторах: текущие проблемы и перспективы

Революционное влияние литий-ионных аккумуляторов на общее мировое экономическое и техническое развитие было отмечено Нобелевской премией 2019 для их изобретателей. Литий-ионные батареи быстро становятся основным компонентом систем хранения и доставки энергии для электрических сетей и электромобилей (EV), не использующих ископаемое топливо. Темпы производства литий-ионных элементов ускоряются, равно как и их использование в небольших устройствах бытовой электроники (смартфоны, планшеты и компьютеры), электрифицированном транспорте (EV) и крупных системах хранения энергии (электросети).В течение следующего десятилетия ожидается постоянный рост мирового производства литий-ионных аккумуляторов, при этом прогнозы варьируются от четырех до десяти раз (рис. 1). ¹

Улучшение свойств материалов для увеличения удельной энергии и возможностей передачи мощности этой технологии обещает дальнейшее расширение ее использования. ^2,3 Параллельно с этим было признано, что требуется постоянная работа для повышения безопасности литий-ионных аккумуляторов на протяжении всего их жизненного цикла — от производства до эксплуатации до утилизации ресурсов. ^4–7 Два основных явления, способствующих нестабильности литий-ионных аккумуляторов, которые могут снизить их тепловую безопасность, — это тепловой разгон (TR) в отдельной ячейке и распространение тепла от ячейки к ячейке. TR возникает в одной ячейке и, если не локализован, может привести к распространению TR в многоячеечной батарее. ^{8 Распространение} TR может привести к возгоранию, разрыву и выбросу воздуха с серьезными последствиями для оборудования и пользователей. ⁹ Управление температурным режимом аккумуляторной батареи — один из важных аспектов повышения общей безопасности технологии. ^10–19 Основной целью управления температурой является прогнозирование, предотвращение и, при необходимости, смягчение двух основных эффектов тепловой энергии в литий-ионных батареях — TR и распространение TR от ячейки к ячейке.

Температурную безопасность можно повысить за счет более четкого понимания физико-химических свойств литий-ионной системы и условий, необходимых для поддержания стабильности системы. Эти врожденные нестабильности можно отнести к сложным компонентам, составляющим каждый литий-ионный элемент в батарее.Были предприняты значительные усилия для получения лучшей интерпретации термической безопасности с использованием различных математических и вычислительных моделей. К ним относятся сложные детерминированные модели для индивидуальных реакций, которые происходят внутри ячеек до вентиляции, и TR, ²⁰ расчетная гидродинамика (CFD) моделирования конструкции ячеек и архитектуры упаковки в многоячеечных решениях, ²¹ пределы воспламеняемости ²² и высокопроизводительные скрининговые исследования, связывающие сигнатуры на уровне материала с ответами на уровне системы. ²³ Аналогичным образом, на уровне системы, обнаружение неисправности датчика с использованием параметров, регрессированных в модели схемы, ²⁴ подходов, основанных на данных, которые количественно определяют вероятность отказа с учетом среднего времени наработки на отказ, ²⁵ оценка риска с помощью анализа последствий режима отказа или аналогичных методов, ^26,27 облачных средств диагностики неисправностей, ^28,29 и регрессия тенденций из банков данных, охватывающих различные форматы ячеек и химические составы, ³⁰ были исследованы.Некоторые из ключевых проблем при прогнозировании начала TR включают чрезвычайно низкую частоту его появления в полевых условиях; отсутствие последовательного определения ³¹ для «теплового разгона», что приводит к несоответствию между результатами лабораторных испытаний и полевыми событиями; широкий разброс результатов тестирования; ограниченный набор соответствующих экспериментальных результатов для проверки и параметризации моделей; и значительное увеличение бюджета на тестирование с ростом размера и сложности статей о тестировании батарей.В результате методы идентификации паттернов, такие как машинное обучение ³² или анализ больших данных ³³ имеет доступ к наборам обучающих данных ограниченного размера (например, данные о циклическом старении или календарном ухудшении характеристик, собранные в течение нескольких месяцев, и данные о безопасности, собранные в течение более длительного времени), чтобы обеспечить достаточную уверенность в результатах. С другой стороны, даже после тщательного контроля настроек тестирования и вариативности оператора, результаты испытаний на механическое повреждение (например,g., тест на проникновение гвоздя) не всегда детерминированы. ³⁴ В таких случаях анализ чувствительности результатов тестирования на уровне системы к конкретным проектным параметрам ³⁵ продемонстрировал свою полезность. Доверительные интервалы для параметров, полученных в результате таких экспериментов, могут впоследствии использоваться в качестве входных данных для математических моделей и для построения карт безопасности, которые показывают взаимодействие вероятностей отказа, полученных на основе каждого параметра (рис. 2). ^36,37

Еще одним заметным пробелом в использовании моделирования для понимания безопасности батарей является отсутствие «комплексного подхода», помогающего понять экспериментальные характеристики, выполненные в различных масштабах.Например, существуют независимые экспериментальные измерения, коррелирующие результаты дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) на уровне компонентов с калориметрией ускоренной скорости (ARC) на уровне клеток. ^38,39 Аналогичным образом были разработаны математические модели, изучающие влияние изменения расстояния между ячейками. Однако математические модели, которые объединяют результаты DSC и ARC вместе с другими экспериментами по теплопередаче для определения оптимального расстояния между ячейками в модуле или проектирования вентиляционных путей для аккумуляторных блоков, не исследовались.Аналогично, стабильность различных оксидов переходных металлов и связанное с ними выделение кислорода изучались отдельно с использованием математических моделей ²² и в экспериментах. ⁴⁰ Объединение этих результатов с моделью CFD в масштабе ячейки или выше ⁴¹ позволит одновременно оценивать ограничения материалов наряду с техническими ограничениями.

Параметры управления литий-ионным аккумулятором включают электрическую энергию, электрическую мощность и тепловую энергию.Большинство систем управления батареями (BMS) управляет электрической мощностью и энергией через датчики напряжения и тока, а не через сопротивление или импеданс анода, катода и электролита. Управление температурой в большинстве BMS осуществляется с помощью термопар, термисторов и аналогичных датчиков, установленных вне ячеек. Здесь мы обсуждаем текущие усилия по терморегулированию литий-ионных аккумуляторов, включая датчики и методы прямого измерения внутренней температуры элемента (T _int ).

Управление температурой в литий-ионных системах

Управление температурой важно для литий-ионных систем, поскольку стабильность электродов с высокой плотностью энергии во многом зависит от локальной температуры внутри элемента и ее влияния на летучие органические растворители в электролите . Некоторые растворители имеют температуру кипения до 90 ° C, и увеличение T _— выше 90 ° C приведет к выкипанию растворителя, увеличению внутреннего давления в ячейке и вынудит растворитель выйти. Следовательно, предотвращение чрезмерного повышения T _int должно помочь сохранить целостность клеток.

Несколько авторов провели детальные исследования математического моделирования ^42,43 или выполненных измерений ⁴⁴ для решения тепловых проблем в малых и больших аккумуляторных батареях. Некоторые из этих исследований подчеркивают влияние плохого управления температурой на нормальную работу и срок службы этих батарей, ^45–47 , а также по вопросам безопасности. Недавно мы сообщили, что примерно на каждые 13 ° C повышения рабочей температуры срок службы батареи сокращается примерно на 50%. ⁴⁸ Были аналогичные сообщения о снижении производительности в холодных условиях эксплуатации. ⁴⁹ Эти изменения продолжительности жизни сопровождаются увеличением внутреннего сопротивления клеток. В сочетании с потерей эффективности езды на велосипеде и способности генерировать электроэнергию чрезмерное тепловыделение при повышенном внутреннем сопротивлении усиливает проблемы безопасности. Эти небезопасные тепловые ситуации в настоящее время решаются с помощью «блоков управления», состоящих из контуров нагрева и контуров охлаждения, а также «регулирующей» секции, которые пытаются поддерживать температуру поверхности батареи в пределах заданного диапазона температур.Описание интеграции между системой управления батареями и блоком управления температурой приведено в другом месте. ⁵⁰ Блок управления температурным режимом вводит данные о температуре окружающей среды и батареи в интеллектуальные средства управления, которые инициируют охлаждение или нагрев во время нормальной работы или отправляют аварийный сигнал в ЭБУ при обнаружении аномальных колебаний температуры. Аппаратное обеспечение терморегулирования, как минимум, состоит из вентиляторов и нагревателей. В нескольких исследованиях изучались более сложные подходы к обогреву и охлаждению, которые улучшают общий коэффициент полезного действия системы терморегулирования. ⁵¹ Другие предпочли простоту оборудования. ⁵²

С точки зрения безопасности, изоляция (механическая, тепловая, а также электрическая) между частями (блоками ячеек или модулями) и доступ к теплоотводу являются ключевыми критериями, используемыми при проектировании аккумуляторных блоков. Предотвращение утечек в системах с жидкостным охлаждением и опасности возникновения дуги в высоковольтных устройствах обычно рассматривается в нескольких стандартах безопасности. ⁵³ Практически все аккумуляторные блоки электромобилей имеют специальные вентиляционные отверстия для отвода газообразных выбросов после выброса из ячеек по предпочтительным путям, в сторону от распространения в соседние элементы.Некоторые аккумуляторные модули содержат материал с фазовым переходом либо в упаковке, либо как часть элемента элемента. Ключом к успешному снижению чрезмерного повышения температуры является способность отводить тепло от клеток.

Технологии терморегулирования ^42–53 — это несколько примеров продолжающихся усилий, направленных на обеспечение тепловой безопасности литий-ионных аккумуляторов. Несмотря на эти согласованные усилия, литий-ионные батареи продолжают испытывать TR, распространение TR и воспламенение.Некоторые из сохраняющихся проблем с безопасностью литий-ионных аккумуляторов можно проследить до эволюции BMS, первоначально использовавшейся для управления водными аккумуляторами.

Типы систем управления батареями

В рамках ограничений существующих баз данных, растущего спроса и производства, вокруг каждой литий-ионной батареи должна быть построена достаточно продвинутая BMS для обеспечения тепловой безопасности и электрического КПД. Из-за своих ограничений конструкции и концепции BMS, основанные на ранее разработанных типах батарей, не улучшают безопасность существующих литий-ионных батарей, а для некоторых конструкций могут даже снижать запас прочности.Понимание физико-химических процессов в литий-ионных элементах позволяет лучше понять отказы литий-ионных аккумуляторов, включая дефлаграцию и другие отказы, вызванные нагревом. ^54,55 Недостатки в конструкциях BMS, применяемых в современной литий-ионной технологии, можно проследить до конструкций батарей, содержащих негорючие компоненты, например, водные электролиты. ^56,57 Большинство систем аккумуляторных батарей с водным электролитом не требуют специальной BMS.Управление зарядом-разрядом аккумуляторных водных Ni-аккумуляторов, таких как никель-кадмиевые (NiCd), никель-водородные (NiH ₂ ) и никель-металл-гидридные (NiMH) элементы, необходимо для максимального повышения производительности при минимальном сокращении срока службы. ⁵⁶ Чтобы соответствовать этим требованиям, системы управления зарядом для водных Ni-аккумуляторов обычно отслеживают температуру, напряжение и ток аккумулятора для оценки состояния заряда аккумулятора (SoC). Чаще всего интеграция в ампер-часах использовалась для поддержки методов управления коэффициентом перезарядки в высоконадежных аэрокосмических батареях NiCd и NiH ₂ . ^58,59 Методы контроля заряда на основе давления были уникальными для NiH ₂ батарей из-за характерного квазилинейного изменения давления H ₂ с SoC во время цикла заряда-разряда. В NiMH и NiCd батареях при перезарядке могут образовываться газообразные водород и кислород, поэтому для ограничения перезарядки использовались показания напряжения и температуры; некоторая степень низкоскоростной перезарядки обычно использовалась для аккумуляторов NiCd и NiH ₂ , чтобы уменьшить саморазряд и предотвратить падение SoC при переключении. ⁶⁰ В качестве системы терморегулирования в этих батареях использовался самовосстанавливающийся плавкий предохранитель, изобретенный в 1939 году, ⁶¹ (положительный или отрицательный тепловой коэффициент, предохранитель с положительным или отрицательным температурным коэффициентом, ⁶² в сегодняшней терминологии), расположенный в положительной и отрицательной ветви последовательной цепочки ячеек. Некоторые системы управления в NiMH и NiCd батареях имели термисторы в определенных местах, чтобы останавливать заряд или разрядку, когда батарея испытывала внезапное повышение температуры из-за внутренних неисправностей.Пределы напряжения были скорректированы во время зарядки, чтобы облегчить рассеяние тепла на уровне ячеек на терморегулирующие поверхности батареи, чтобы минимизировать тепловую нагрузку и продлить срок службы батареи. Успешные методы контроля заряда по напряжению с температурной компенсацией, используемые в никель-кадмиевых батареях, были приняты батареями NiH ₂ для таких приложений, как космический телескоп Хаббла НАСА и Международная космическая станция. ^63,64

В другом примере водной системы свинцово-кислотные батареи могут выйти из строя из-за саморазряда и электролиза кислоты, что приведет к образованию газообразного водорода.Следовательно, BMS (точнее: система управления, встроенная в зарядное устройство, а не в аккумулятор) в свинцово-кислотных аккумуляторах предназначены для поддержания напряжения на заданном уровне в течение периодов ожидания и для поддержания «плавающего заряда» для предотвращения саморазряда аккумулятора. , «просушивания» отказов и внутренних коротких замыканий. Проблемы, обнаруженные в водных батареях (таких как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые или никель-металлгидридные), сильно отличались от литий-ионных батарей, поэтому требовался другой набор конструктивных решений, необходимых для их систем управления.Водные системы не были разработаны со специальной BMS, внутренней для каждой ячейки в батарее; Вышеупомянутые элементы управления были включены в отдельные компоненты в качестве элементов управления зарядного устройства. Адаптация таких контроллеров, как BMS, для литий-ионных батарей была недостаточной для решения более сложных проблем, обнаруженных в этих батареях. Тем не менее, большинство современных BMS для литий-ионных аккумуляторов по-прежнему полагаются только на датчики напряжения аккумулятора (и напряжения элементов в некоторых случаях) и датчики температуры, устанавливаемые на поверхность. ^16,65–67 Несмотря на то, что современные BMS используют передовые математические модели для прогнозирования внутреннего состояния ячейки, несколько авторов подчеркивают необходимость модернизации датчиков BMS, использования улучшенных датчиков на основе импеданса, ^16,65,67 и внутренние датчики температуры. ^16,66

Основные причины теплового разгона литий-ионных аккумуляторов

Неустойчивость, присущая системе литий-ионных аккумуляторов, может быть связана со сложностью компонентов, составляющих каждый литий-ионный элемент.При 200 Вт · ч кг ^-1 плотность энергии литий-ионного элемента по весу составляет примерно четверть от плотности энергии пороха или одной десятой для динамита; однако только литий-ионные элементы способны выделять энергию с контролируемой скоростью, включая запуск и останов по команде, в соответствии с требованиями пользователя. В литий-ионных элементах десятки отдельных компонентов работают вместе, сохраняя большое количество энергии при минимально возможной массе и объеме и доставляя энергию в диапазоне желаемых скоростей. Хотя физико-химические свойства этих отдельных компонентов довольно хорошо каталогизированы, ^{20–30,35–40} их совместное поведение — нет. ^31–34 Катастрофический отказ литий-ионных аккумуляторов может быть вызван неправильным электрическим, механическим или термическим воздействием. ^10,68 Исторически эти три типа злоупотреблений наносили ущерб безопасности всех типов батарей, включая классические водные. Как правило, аккумулятор нельзя перезаряжать и разряжать, подвергать сильному сжатию, вибрации, ударам или нагреванию. Большинство производимых сегодня литий-ионных аккумуляторов разработаны с учетом защиты от этих трех типов условий неправильного использования.Несмотря на инженерные разработки, которые защищают их от экстремальных механических, электрических и термических воздействий, литий-ионные аккумуляторы все еще могут испытывать TR и горение, что указывает на необходимость учета множества факторов для повышения безопасности аккумуляторов. Например, непреднамеренное включение инородных или естественных обломков объектов (FOD или NOD), а также производственные дефекты могут способствовать созданию внутренних коротких путей клетки. Хотя реализация сложных методов контроля качества и протоколов скрининга клеток была успешно реализована для контроля FOD, NOD и производственных дефектов, необнаруженные скрытые дефекты могут вносить вклад в опасность внутреннего короткого замыкания клетки. ⁶⁹ Тем не менее, TR, возникающий в результате внутреннего короткого замыкания клеток, продолжает происходить, поэтому контроль качества и скрининг клеток, хотя и необходимы, недостаточны для предотвращения TR. Рост дендритов во время заряда-разряда в литий-ионном элементе и старение компонентов элемента с разной скоростью также могут привести к TR. Хотя данных о связи между отказом отдельного компонента элемента и отказом элемента недостаточно, преждевременный выход элемента из строя обычно приводит к выходу из строя аккумулятора.

Обеспечение термобезопасности от проектирования до утилизации

Шаги по обеспечению термобезопасности начинаются с конструкции батареи, продлеваются на весь срок ее службы и заканчиваются только после безопасной утилизации батареи. ⁷⁰ От проектирования до утилизации повышенная безопасность литий-ионных аккумуляторов может быть реализована за четыре основных практических шага, которые в общих чертах обозначены ниже. Шаг 1 в разработке безопасной батареи начинается с проверки, выбора и согласования ячеек, которые будут использоваться при производстве батареи.Шаг 2 — обеспечить работу каждой ячейки батареи в заданных пределах напряжения и температуры. Шаг 3 заключается в прогнозировании и предотвращении TR в отдельной ячейке в батарее. Последний шаг, Шаг 4, — предотвратить распространение TR от ячейки к ячейке, даже если одна ячейка в батарее испытывает TR. Детали, связанные с практической реализацией каждого из этих четырех шагов безопасности, гораздо более важны при производстве литий-ионных аккумуляторов, чем при производстве аккумуляторов на водной основе. Для водных батарей последние два шага даже не применимы.В водных батареях неправильные процедуры, связанные с первыми двумя этапами, не приводят к возгоранию, тогда как в литий-ионных батареях они могут вызвать TR и возгорание. Реализация первых двух этапов в производстве литий-ионных аккумуляторов требует уровня строгости, которого нет в сегодняшней практике скрининга и согласования, а отказ, вызванный плохой реализацией, гораздо менее прощающий, чем при использовании водных аккумуляторов.

Согласование отдельных ячеек в батарее

Лучшая практика в проверке и сопоставлении ячеек батареи на водной основе включает идентификацию ячеек с одинаковой паспортной табличкой (партии продукта) и их сопоставление на основе данных испытаний для напряжения элемента и емкости Ач посредством заряда-разряда кататься на велосипеде. ⁶⁸ Очевидно, что согласование ячеек на основе информации с паспортной таблички и данных испытаний является наилучшей практикой как для водных, так и для литий-ионных аккумуляторов. Однако согласование напряжения и емкости в ампер-часах не гарантирует, что литий-ионные элементы согласованы на уровне их внутренних компонентов, а именно электролита, анода и катода. Проблемы, которые могут возникнуть из-за несовпадения ячеек на уровне компонентов, иллюстрируются обычной практикой, известной как конструкция ячейки с ограничением по катоду или с ограничением по аноду. ⁵⁶ Например, катодно-ограниченный элемент сконструирован с избыточным анодным материалом, так что, когда элемент полностью разряжен, полностью расходуется только катод, а на аноде остается некоторое количество непрореагировавшего электроактивного материала, предотвращая непреднамеренное окисление токосъемника на анод. В более широком смысле, если сопротивление электролита (R _s ) для каждой ячейки не совпадает между ячейками, то во время заряда и разряда элемент с самым высоким R _s будет испытывать повышенное внутреннее падение напряжения и достигнет заданного напряжения. ограничивает раньше, чем остальные клетки.В батарее с разными R _или в нескольких элементах все эти элементы будут испытывать разную глубину разряда (DOD), что приведет к старению с разным сроком службы. Более вредно, чем несоответствие R _s отдельных элементов, несоответствие их анодного импеданса отдельного элемента (Z _a ) и импеданса катода (Z _c ). Когда ток проходит через элемент, температура внутри элемента неоднородна, но различается для каждого компонента, потому что соответствующие R _s , Z _a и Z _c различны. ⁷¹ Если ячейки не подобраны индивидуально для R _s , Z _a и Z _c , тогда будет разница в температурах несовпадающих компонентов. Например, если конкретный элемент не соответствует Z _a с остальными, этот элемент будет подвергаться воздействию другой температуры анода во время заряда-разряда, что может привести к старению анода этого элемента с другой скоростью, чем у остальных элементов. . В течение нескольких циклов заряда-разряда этот анод может преждевременно выйти из строя, что может привести к TR.В свою очередь, преждевременный выход из строя элемента обычно приводит к выходу из строя батареи. Мы утверждали, что мониторинг внутренней температуры — это жизнеспособный путь для выявления термически неисправных ячеек в батарее. ⁵⁴ Также обсуждается управление балансировкой температуры между ячейками в электромобилях. ¹⁶ Практика поддержания изотермических условий варьируется в зависимости от отрасли. Например, требования к контролю температурных градиентов в пределах 2–5 ° C являются обычными для литий-ионных аккумуляторов, пригодных для использования в космосе. ⁷²

Ток, протекающий через батарею, вызовет аналогичные изменения в концентрации активных материалов на аноде и катоде в большинстве ячеек, только ячейка с несоответствующим Z _a или Z _c может быть принудительно пере- разряд или избыточный заряд на аноде или катоде. В водных батареях, если последовательно подключенный элемент чрезмерно разряжен, то результирующее изменение напряжения приведет к увеличению внутреннего сопротивления этого элемента, и батарея перестанет функционировать.В литий-ионных батареях реверс напряжения может впоследствии привести к катастрофическому отказу, что приведет к распространению TR, TR, возгоранию и дефлаграции. Например, чрезмерный разряд литий-ионного элемента может привести к растворению меди (из анодного токоприемника), которая откладывается в виде металлической меди на катоде, аноде и сепараторе во время последующей зарядки. Непрерывный избыточный разряд и циклический заряд приводят к осаждению металлической меди на графите, что препятствует внедрению лития в графит и осаждению металлического лития поверх слоя меди. ⁷³ металлический литий осаждается в виде дендритов, следуя законам «агрегации, ограниченной диффузией». ⁷⁴ Дендритные отложения могут образовывать острые, прочные и игольчатые структуры, способные пробивать полимерные сепараторы. Внутри литий-ионных элементов дендритные отложения металлического лития создают пути электрического короткого замыкания между анодом и катодом, что приводит к быстрому возникновению TR. ⁵⁶ Следовательно, практика согласования ячеек по напряжению и емкости в Ач, достаточных для водных аккумуляторов, необходима, но недостаточна для литий-ионных аккумуляторов.Целью успешного согласования литий-ионных элементов является обеспечение равномерного разряда, содействие равномерному старению, предотвращение изменения полярности ячейки, перегрева и т. Д .; поэтому сопоставление должно также включать мониторинг значений Z _c , Z _a и R _s для отдельных ячеек.

В литий-ионном элементе полное сопротивление каждого из его компонентов, а именно Z _c , Z _a и R _s , однозначно зависит от частоты (частотного диапазона). ⁷⁵ Следовательно, согласование импеданса ячейки только на частоте 1 кГц не может успешно согласовать каждый компонент каждой ячейки.Что еще более важно, поскольку частота, соответствующая каждому компоненту, уникально зависит от каждой модели ячейки, измерение импеданса на частоте 1 кГц не может точно сопоставить Z _c , Z _a или R _s в каждой модели ячейки. Для повышения термобезопасности каждый литий-ионный элемент в батарее должен соответствовать Z _c , Z _a и R _s на разных частотах, в дополнение к напряжению элемента, емкости в Ач, марке, модели. , дату изготовления и номер партии, как указано в п.70. В батарее, содержащей элементы с согласованными компонентами импеданса Z _c , Z _a и R _s (в дополнение к емкости элемента), элементы имеют тенденцию к равномерному старению, что снижает вероятность преждевременного старения отдельных элементов ( см. рис. 4 и 6 в работе 54).

Мониторинг внутренней температуры элемента, напряжения, состояния заряда и состояния здоровья во время зарядки и разрядки

Второй шаг в проектировании безопасности — обеспечение того, чтобы каждая ячейка в батарее работала в заданных пределах напряжения и температуры .Этот шаг обычно реализуется через BMS, первоначально разработанную для контроля и управления элементами в водных батареях. ^63,64 В водных батареях мониторинг температуры был необходим не из-за возможности TR, а для предотвращения замерзания или испарения электролита. В таких ситуациях мониторинг температуры окружающей среды батареи считался адекватным, поэтому размещение одного или двух термодатчиков на батарею на внутренней и внешней стенке батареи стало обычной практикой.В отличие от водных батарей, для управления температурой в литий-ионных элементах требуется один термодатчик на элемент. Этот термодатчик должен быть способен измерять или оценивать внутреннюю температуру (T _int ) каждой ячейки. Есть несколько причин контролировать T _int каждой ячейки. TR может быть вызван повышением температуры внутри ячейки. При таких низких температурах, как 85 ° C, слой поверхности раздела твердый электролит (SEI) начинает разрушаться, вызывая экзотермические реакции между графитовым углеродным анодом и карбонатными эфирами в электролите.При дальнейшем повышении температуры органические сложные эфиры превратятся в пар, ⁷⁶ , и повышенного давления внутри ячейки будет достаточно, чтобы вызвать вентиляцию. ^77,78 Когда элемент вентилируется, он рассеивает легковоспламеняющиеся органические растворители по батарейному отсеку и осаждает их на поверхности соседних элементов. ⁵⁵ От выхода из строя SEI до вентиляции — каждый процесс наносит ущерб безопасности аккумуляторной батареи.Наиболее серьезными являются последствия повышения T _int выше 155 ° C, когда внутри клетки протекают каскадные необратимые экзотермические реакции, то есть TR. ²⁰ Каждая реакция, приводящая к TR, связана с повышением внутренней температуры клетки. Следовательно, мониторинг T _int — это наиболее эффективный способ управления батареями и повышения их безопасности.

Еще десять лет назад технология прямого измерения T _int в литий-ионных элементах не разрабатывалась.В 2011 году Srinivasan et al. впервые продемонстрировал метод мониторинга T _int в литий-ионных элементах в состоянии покоя ⁷⁹ ; последующие исследования расширили эту технику до монитора T _int в динамических условиях заряда и разряда ^71,80 ; и в последнее время в нескольких элементах, присутствующих в последовательно-параллельных комбинациях в батареях. ⁵⁴ Этот метод неинвазивен, не требует дополнительных проводов, кроме пар, уже используемых в мониторинге напряжения ячеек, и его реализация в BMS проста.Различные аспекты датчика на основе импеданса для мониторинга T _int и управления температурой подробно обсуждались несколькими авторами. ^81–86 Во многих коммерческих BMS T _int по-прежнему оценивается путем сочетания внешнего контроля температуры и теплового моделирования. ⁸⁷ Такие математические модели требуют отдельной конструкции для каждого типа литий-ионного элемента, поскольку внутренние характеристики элемента зависят от производителя. Помимо необходимости интенсивных вычислений, чтобы быть точными, эти модели требуют ввода данных от нескольких датчиков на ячейку. ^81,88 Кроме того, тепловая инерция вызывает задержку теплопередачи от внутренней части ячейки к ее внешней стороне, поэтому внешние датчики никогда не предоставляют данные T _int в реальном времени. ⁷¹ В идеале, система BMS, ориентированная на безопасность, должна использовать датчики, которые непосредственно измеряют T _int .

Мониторинг SoC во время зарядки и разрядки остается наиболее сложной задачей при анализе внутреннего состояния литий-ионного элемента. Кулоновский счет, пожалуй, лучший доступный приближение к оценке SoC, ⁸⁹ , который ограничен уменьшением емкости накопителя заряда (Ач-емкости) элемента с циклическим и календарным сроком службы.Точное отслеживание SoC требует периодической калибровки потери емкости с течением времени. Методы импеданса для мониторинга SoC практически неэффективны: импеданс ячейки намного более чувствителен к ее внутренней температуре, T _int , чем SoC. ^{71 Оценка} SoC с помощью измерений напряжения ячейки (E _cv ) ограничена медленной диффузией катионов лития (Li ⁺ ), поскольку они литиируют и делитируют анод и катод соответственно. Зависимость от скорости диффузии E _cv дополнительно осложняется температурной зависимостью E _cv от энтропии интеркаляции Li ⁺ и временными изменениями T _int во время зарядки и разрядки. ^71,80 Таким образом, измерение E _cv осталось далеко не надежным методом для мониторинга SoC. Мониторинг состояния литий-ионных элементов (SoH) в динамических условиях так же сложен, как и мониторинг SoC. Использование импеданса для монитора SoH ⁹⁰ усложняется из-за изменений концентрации Li ⁺ в электролите во время зарядки и разрядки. ⁵⁴

Существует разрыв между системами BMS, которые в настоящее время используются для мониторинга SoC и SoH, и пониманием сложных физико-химических процессов во время зарядки и разрядки литий-ионных элементов.Новые конструкции BMS, которые учитывают эти процессы, необходимы для повышения термобезопасности литий-ионных аккумуляторов.

Вентиляция ячейки до TR

Третий шаг в ориентированном на безопасность проектировании BMS связан с прогнозированием или предотвращением вентиляции отдельной ячейки. Преобладает мнение, что с увеличением T _int клетка вентилирует только тогда, когда она выбрасывает энергетические материалы во время TR. ⁵⁶ Фактически, элемент может сначала вентилироваться, прежде чем он испытает TR в процессе, называемом предварительным вентилированием TR, при котором горючий органический материал осаждается на других элементах внутри аккумуляторного отсека. ⁵⁵ Затем ячейка вентилируется снова во время фактического TR, воспламеняя растворители, осевшие после первого сброса, инициируя TR в дополнительных ячейках. Следовательно, возгорание внутри батареи происходит только во время TR в нескольких местах батареи, то есть происходит распространение TR от ячейки к ячейке. Ни одна из используемых в настоящее время BMS не может предотвратить распространение TR или от ячейки к ячейке.

В недавнем исследовании ⁵⁵ , временные профили процессов во время вентиляции клеток при нагревании были записаны с помощью ряда инструментов, включая интерактивные методы инфракрасной визуализации с преобразованием Фурье и методы гиперспектральной визуализации.Перед фактическим событием TR из ячейки выбрасывались газообразные сложные эфиры алкилкарбоната при температуре около 100 ° C в «пре-TR вентиляции». Через несколько минут произошло TR, и ячейка выпустила газообразный CO, CO ₂ , HF и оксиды кобальта, марганца и лития, а также твердый оксид никеля. Органические растворители в выбросе ТР не обнаружены. Температура выброса TR первоначально составляла 1500 ° C, а затем упала до 600 ° C примерно за 50 мс. Автономный химический анализ с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии сброшенных газов и гравиметрия сброшенного материала до TR позволили получить дополнительную информацию о реакциях во время продувки до TR и распространения TR. ⁵⁵

Вентиляция элемента Pre-TR рассеивает легковоспламеняющиеся органические растворители внутри батарейного отсека. Фактически, тепловая энергия выброса во время TR меньше, чем энергия выброса до TR, которая может высвободиться при горении. ⁵⁵ Воспламеняющиеся растворители, выделяющиеся в виде газов во время предварительной вентиляции TR, осаждаются в виде жидкости на поверхности соседних ячеек. Когда они сгорают, они горят не в элементе, который его вентилировал, а поверх соседних элементов в батарее.Горение выброса до TR может быть инициировано дугой, искрой или горячей точкой и поддерживаться окислителями, выброшенными во время TR. Таким образом, распространение TR не происходит во время вентиляции перед TR, потому что необходимая искра и окислители становятся доступными только во время TR. Fernandes et al. также продемонстрировали, что перезарядка литий-ионного элемента инициировала предварительную вентиляцию TR. ⁹¹ Посредством непрерывного анализа выбрасываемых газов на месте они зарегистрировали зависящие от времени изменения концентраций и составов химических веществ.Данные их испытаний также подтвердили, что большинство компонентов отходящего газа перед TR были легковоспламеняющимися летучими растворителями.

Разрешение временных характеристик вентиляции до TR и вентиляции во время TR, а также пространственная дифференциация между местами сгорания материалов, вентилируемых до TR и TR, имеют решающее значение при разработке ориентированной на безопасность BMS для предотвращения TR и ячейки распространение TR между клетками. Наиболее важно, что вентиляция перед TR происходит до начала TR реакций, это означает, что если увеличение T _int успешно остановлено до вентиляции перед TR, то клетка не перейдет в TR.Недавно мы продемонстрировали, что изменения импеданса ячейки (Z _{, ячейка} ) можно измерить за десятки секунд до вентиляции перед TR. ⁹² Значения импеданса ячейки зависят от частот, на которых они измеряются. Например, в элементах LG HG2 и Samsung SDI-26F 18650 изменения импеданса до вентиляции перед TR обнаруживаются на частотах менее 10 Гц. В ячейках 18650 импеданс, измеренный с использованием сигнала 1 кГц, не несет никакой информации об изменениях в ячейке Z , вызванных структурными изменениями внутри ячейки, особенно при высоких температурах (> 85 ° C).Датчики температуры, установленные на поверхности, могут свидетельствовать о фактическом событии до вентиляции TR, но несут мало информации о газообразовании, которое происходит до вентиляции перед TR. Если BMS контролирует внутренний импеданс ячейки на частоте менее 10 Гц, он должен быть в состоянии предсказать и противодействовать вентиляции до TR и TR. В настоящее время ни одна коммерческая BMS не обеспечивает мониторинг внутреннего импеданса ячейки в реальном времени, поэтому предварительная вентиляция TR не может быть предсказана с помощью такой BMS. Поскольку образующиеся газы не выходят из ячейки до тех пор, пока не будет выпущена вентиляция перед TR, газовые датчики могут идентифицировать событие только после того, как газы будут выпущены; это может быть слишком поздно, чтобы противодействовать последующим ТУ.

Распространение TR от ячейки к ячейке

Четвертым шагом в обеспечении тепловой безопасности является предотвращение распространения TR от ячейки к ячейке, даже если одна ячейка в батарее подвергается TR. Некоторые литий-ионные батареи предназначены для быстрого удаления выбросов из ячейки, испытывающей TR, через вентиляционные каналы, которые должны предотвращать распространение. Обтекаемый канал выброса, способный удалять быстро движущийся энергетический выброс, должен предотвращать его воздействие на остальные элементы внутри аккумуляторного отсека.Фактически, вычислительная гидродинамика и тепловое моделирование показывают, что даже хорошо спроектированный вентиляционный канал не всегда может предотвратить распространение TR. ⁵⁵

В связи с тем, что текущие коммерческие BMS не способны противодействовать TR ячейки, а вентиляционные каналы не могут остановить распространение, необходимы новые и радикальные решения для предотвращения распространения тепла от ячейки к ячейке, пожара и дефлаграции. А пока разработчики и производители литий-ионных аккумуляторов должны стремиться к согласованию ячеек на основе импеданса анода, катода и электролита, мониторинга внутренней температуры ячейки, а также выявления и предотвращения вентиляции перед TR, ведущей к выделению горючего газа.

На пути к интеллектуальной BMS

Колебания потребляемой мощности варьируются от нескольких Вт в смартфонах до кВт в электромобилях и сотнях кВт в электрических сетях. Хотя нет прямых доказательств того, что колебания мощности могут вызвать сбой батареи, сбои в подаче электроэнергии и возгорания, вызванные батареей, являются обычным явлением в электрических сетях и в электромобилях. ⁹ Такие сбои и пожары и даже незапланированные простои, вызванные преждевременным старением аккумуляторных элементов, могут быть дорогостоящими. Даже BMS с расширенными функциями ⁵⁴ может быть недостаточно для обеспечения экономичного использования литий-ионных аккумуляторов в электромобилях и электросетях.Чтобы предотвратить перебои в подаче электроэнергии и снизить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, BMS должна быть намного «умнее» и способна работать вместе с «интеллектуальными» устройствами маршрутизации питания (iPROUD). Это было основной целью программы Advanced Management and Protection of Energy Storage Devices (AMPED) 2012 года, спонсируемой Министерством энергетики США. ⁹³ Десять лет спустя такая цель все еще остается открытой.

Схема концепции BMS-iPROUD показана на рис. 3. ⁹⁴ В этом примере роль iPROUD заключается в получении информации не только от BMS, но и от нагрузки, а также от электросети через двусторонние каналы связи.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. Схема интеллектуального устройства маршрутизации мощности (iPROUD), работающего в тандеме с BMS для оценки состояния готовности каждой ячейки в батарее, а затем принятия решений о возможностях батареи для поддержки колеблющихся требований к мощности и получать энергию из сети.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Цель устройства iPROUD — регулировать скорость, с которой аккумулятор получает и накапливает энергию из сети, а также скорость, с которой аккумулятор поддерживает нагрузку.BMS с датчиками внутреннего состояния (напряжения, температуры, импеданса и т. Д.) Каждой ячейки контролирует и управляет каждой ячейкой в ​​батарее и вводит эти данные в iPROUD. Он использует данные, чтобы связать внутреннее состояние каждой ячейки с функциональными возможностями батареи и объединяет данные с информацией, которую он получает от нагрузки, чтобы принять решение об уровне поддержки питания, доступной от батареи. Он принимает аналогичные решения по взаимодействию между сеткой и батареей. Если BMS обнаруживает ненормальное внутреннее состояние какой-либо ячейки в батарее, iPROUD не позволит заряжать модуль с аномальной ячейкой, пока состояние ячейки не вернется в нормальное состояние.Один из примеров — «быстрая зарядка» батареи при использовании внутренней температуры элемента для принятия решения о зарядке — показан на рис. 4.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. Сокращение времени зарядки на 25% достигается за счет ограничения внутренней температуры элементов (Tint) и ее использования в качестве одного из параметров управления во время зарядки. В показанном примере аккумулятор на 5,3 Ач заряжается быстрее, чем рекомендуется, при этом значение Tint ограничено до <35 ° C, а напряжение аккумулятора - до 4.2 В.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Быстрая зарядка аккумулятора — это не только вопрос удобства электромобилей, но и необходимость в электросетях. Это также рабочий параметр, который может увеличивать внутреннюю температуру элемента, потенциально ускоряя старение и приводя его к TR и вентиляции. Попытки использовать температуру поверхности в качестве параметра для защиты ячеек от вентиляции потенциально вводят в заблуждение и, следовательно, вредны.Данные на рис. 4 относятся к одному элементу (5,3 Ач) в аккумуляторе, который первоначально заряжается со скоростью почти 2 ° C. Элемент в этом примере обычно заряжается со скоростью 0,7 C, и для достижения полной зарядки после полной разрядки требуется около 120 минут. IPROUD в этом примере переключал ток на ноль, когда T _int увеличивался выше 35 ° C, позволяя внутренней части элемента остыть, и ограничивал скорость зарядки 0,7 C и 0,5 C в другое время. Общее время полной зарядки аккумулятора по-прежнему составляло 95 мин.Напротив, если бы температура поверхности ячейки была выбрана в качестве параметра и ее предел был установлен на 35 ° C для отключения тока, тогда T _int увеличился бы до гораздо более высокого значения, что в лучшем случае привело бы к ускоренному старению ячейки и в TR на худой конец.

Пример использования T _int и напряжения элемента в качестве параметров управления iPROUD можно расширить, включив в него электролит элемента, сопротивление переносу заряда и кулоновскую емкость, чтобы улучшить управление батареей для повышения безопасности, долговечности и эффективности в хранение энергии и доставка энергии.

путей достижения нового кругового видения для литий-ионных батарей | Новости

Исследование

NREL анализирует существующую политику и правила, которые могут повлиять на экономику замкнутого цикла для материалов аккумуляторов энергии литий-ионных аккумуляторов

Количество списанных литий-ионных аккумуляторов электромобилей может составить 4 миллиона. метрических тонн электронных отходов ежегодно к 2040 году, или почти 22 000 самолетов Boeing 747, что вызывает озабоченность. это вызвало интерес к вариантам повторного использования и переработки. Фото с iStock

Литий-ионные батареи все более востребованы для хранения энергии и использования в электрических транспортные средства — потребности, которые, согласно прогнозам, будут и дальше расти с ожидаемыми технологическими инновациями. и снижение затрат.

Как и большинство потребительских товаров в США, срок службы литий-ионных аккумуляторов основан на на линейной модели, в которой батареи производятся, потребляются и утилизируются без особого труда. рассмотрение стратегий управления по окончании срока службы, включая возможности повторного использования или переработать.По некоторым оценкам, отходы списанного электромобиля одних только литий-ионных аккумуляторов к 2040 году может составлять 4 миллиона тонн в год, или почти вес 22000 самолетов Боинг-747.

Требуется новое видение производства, потребления и утилизации литий-ионных аккумуляторов. батареи. Чтобы начать определение возможных путей для циркулярной экономики — одного из ключевые исследовательские задачи лаборатории — аналитики NREL оценили состояние повторного использования и переработки широкоформатных литий-ионных батареи, используемые в электромобилях, и аккумуляторы энергии через литературу обзор и интервью с экспертами в области аккумуляторов энергии.

Аналитики обнаружили, что повторное использование и переработка литий-ионных батарей может создать и расширить Возможности рынка США, стабилизация цепочки поставок, снижение воздействия на окружающую среду, и облегчить ресурсные ограничения. Однако переработка только одного литий-ионного аккумулятора в США объект существует сегодня. Полные результаты опубликованы в техническом отчете NREL.

«Экономика замкнутого цикла извлечет больше пользы из аккумуляторных систем хранения энергии», сказал руководитель проекта и аналитик NREL Тейлор Кертис.»Материалы будут повторно использованы, переработаны или восстановлены в течение нескольких сроков службы, а не одного срока службы, который истощается ограниченные ресурсы и создают отходы «.

Что может стимулировать или предотвратить циклическую экономию литий-ионных батарей?

Создание экономики замкнутого цикла для литий-ионных батарей может сократить производство расходы, добавление дополнительных источников дохода и налоговые льготы.Новые и расширенные рынки могли также создавать рабочие места.

Циркулярная экономика может повысить конкурентоспособность рынка за счет увеличения репутация и доверие потребителей благодаря экологически чистым методам. Более широкий экологические выгоды могут включать сокращение отходов, потребление энергии и теплицу. выбросы газа, а также сохранение сырья.

Такие факторы могут подтолкнуть U.S. федеральные, государственные и местные инвестиции в круговую экономику, а также частные инвестиции в инновационные продукты, услуги и процессы для повторного использования и восстановление материалов.

Однако технологии, инфраструктура и процессы являются текущими препятствиями. Изменчивость в конструкции и составе литий-ионных аккумуляторов затрудняет разработку стандартизированных процесс для рентабельного повторного использования или восстановления ценных материалов, требующий дорогостоящих ручные процессы.

Кроме того, имеется ограниченная достоверная общедоступная информация о состоянии или объем списанных литий-ионных батарей, или стоимость их восстановления для других использует. Аналитики рекомендуют финансируемые государством исследования, разработки, анализ и стимулы, а также обмен информацией для расширения знаний и стимулирования частных инвестиции.

Какие правила применяются к повторному использованию литий-ионных батарей?

Правила

играют решающую роль в безопасности потребительских товаров, надежном электроснабжении обслуживание, а также безопасное обращение, хранение, обработка, повторное использование, переработка и утилизация литий-ионных аккумуляторов.Однако действующие правила, нормы и стандарты для литий-ионных аккумуляторов. батареи нечеткие, сложные и различаются в зависимости от юрисдикции.

Основываясь на своих выводах, аналитики NREL выделяют существующие правила, которые могут повлиять на установка и межсетевое соединение перепрофилированных литий-ионных аккумуляторов.

Государственные и местные нормативные акты могут регулировать 1) порядок подключения аккумуляторных систем хранения энергии. в электрическую сеть, 2) дизайн, материалы и качество зданий и сооружений это дом или подключение к системам, 3) электрические компоненты системы для подключения к сети приложений, 4) и отраслевые стандарты сертификации для определения безопасности и надежность систем.Эти правила могут также повлиять на вторичное использование литий-ионные аккумуляторы.

«Некоторые штаты, такие как Калифорния или Нью-Йорк, пересматривают свои правила, чтобы Требования по подключению к сети, в частности, относятся к аккумулятору энергии систем, — сказал Кертис. — Это большое развитие, учитывая правила межсетевого взаимодействия не были разработаны с учетом этих типов систем.»

Какие правила применяются к переработке литий-ионных батарей?

Сегодня неясно, как юридически определены списанные литий-ионные батареи. с точки зрения отходов. По состоянию на июль 2020 года в федеральных правилах США нет прямого обращения к аккумуляторной батарее. вывод из эксплуатации системы накопления энергии, или обязать или стимулировать повторное использование / восстановление литий-ионные аккумуляторы.

Экономика замкнутого цикла для энергетических материалов сокращает отходы и сохраняет ресурсы за счет разработки материалы и продукты, с самого начала рассчитанные на повторное использование, переработку и вторичную переработку.

Списанные литий-ионные батареи чаще всего считаются опасными или опасными. универсальные отходы, которые имеют свои правила. Правила также различаются в зависимости от юрисдикции, и несоблюдение может повлечь за собой штраф.

Федеральные законы и постановления об опасных отходах являются самыми строгими и регулируют производство, обработка, хранение, обработка, внутренняя или международная транспортировка, а также утилизация опасных отходов.Литий-ионные аккумуляторы, которые накапливаются, хранятся, или обработанные перед переработкой могут подпадать под действие законов об опасных отходах.

В некоторых штатах за нарушение законов или правил об опасных отходах предусмотрены следующие меры: более строгие, чем федеральные наказания. Например, умышленное или небрежное нарушение положение законов штата об опасных отходах или постановлений в Калифорнии может привести к в виде штрафа в размере до 70 000 долларов за каждое нарушение за каждый день, в течение которого нарушение продолжается.

Четкие и последовательные федеральные, государственные и местные правила США, касающиеся вторичной переработки восстановление ресурсов литий-ионных аккумуляторов может снизить нормативную неопределенность, ответственность проблемы и общий риск инвестора.

Агентство по охране окружающей среды США создало альтернативные меры регулирования для переработки определенных материалов, таких как свинцово-кислотные батареи, чтобы стимулировать сбор и переработка опасных отходов.Аналогичное обозначение для литий-ионных аккумуляторов. может снизить обеспокоенность по поводу ответственности и сделать экономику вторичной переработки более желательной.

Узнать больше

Переход к экономике замкнутого цикла для энергетических материалов потребует широкомасштабного сотрудничества, новая политика и бизнес-операции, а также системный сдвиг в пользу всех заинтересованных сторон от потребителей к производителям.

Посмотрите видео, чтобы узнать больше о видении NREL экономики замкнутого цикла для энергетических материалов.

Выделение газа

в действующих литий-ионных батареях, изученное на месте с помощью нейтронной визуализации

Для экспериментов с нейтронной визуализацией ячейки пакета были установлены в изготовленном на заказ алюминиевом держателе (см. Установку и держатель ячейки пакета на рисунках S1 и S2 дополнительной информации. ). Нейтроны проходят через работающую батарею, и измеряется изменение передачи.В результате получается двумерное рентгенографическое изображение с размерами 152 × 182 мм ² (см. Также рисунок S3 дополнительной информации).

Далее мы описываем метод, разработанный для расчета объема газа. Интенсивность пучка после ослабления ( I ) мешочковой ячейкой может быть аппроксимирована с использованием закона Ламберта-Бера в соответствии с:

, где I ₀ — интенсивность падающих нейтронов, Σ — макроскопическое нейтронное кросс, зависящее от материала. сечение (или коэффициент затухания), а d представляет толщину материала.Для получения скорректированного пропускания интенсивность луча была нормирована следующим образом:

Фон камеры / темновой ток ( I _dc ) и I ₀ были определены измерениями с закрытым затвором и под открытым лучом. условия соответственно.

Сначала изображения были отфильтрованы для удаления пятен и снижения уровня шума (см. Рис. 1а). Временной ряд рассматривался как трехмерный объем данных с двумя пространственными осями и одной временной осью.При этом процесс шумоподавления дает более надежную оценку интенсивности. Само шумоподавление было выполнено с использованием пространственного фильтра обратной шкалы на основе модели Рудина-Ошера-Фатеми ³¹ . Этот конкретный фильтр имеет свойство сохранять края, в то время как эффект шумоподавления очень силен. В целом, используемая здесь модель фильтра демонстрирует превосходные характеристики по сравнению со сверточными фильтрами, медианными фильтрами и другими.

Рис. 1

Изображения нейтронного пропускания ячейки мешочка, иллюстрирующие различные этапы обработки.

( a ) После уменьшения шума, ( b ) после нормализации к первому изображению и ( c ) после сегментации, с серыми областями, представляющими генерируемый газ.

Нормализованные изображения были получены путем деления скорректированной передачи ( T ( t )) в момент времени t путем передачи первого изображения ( T ( t = 0), ячейка мешочка перед циклом) . Полученные изображения (см. Рис. 1b) показывают только локальные изменения, происходящие при езде на велосипеде, без мешающего влияния топографического контраста.Из-за постоянной силы, приложенной к электродам, выделяющиеся газы диффундируют в области с более низким давлением, и поэтому пузырьки газа накапливаются на краях мешочка-мешочка. Эти изображения позволяют количественно анализировать выделение газа. Для этого данные о прохождении нейтронов обрабатывались с помощью программы VGStudio MAX. Области, содержащие пузырьки газа, были сегментированы от областей без них на основе различных значений серого в пикселях, что привело к изображениям, подобным показанным на рис. 1c.Эти изображения затем использовались в качестве маски для расчета газовой зоны (на основе временного ряда с уменьшенным шумом).

Для калибровки толщины (см. Рис. 2) предполагается, что толщина образца ( d ) постоянна. Максимальная толщина электролита в ячейке-мешочке была рассчитана с учетом двух предельных случаев, а именно областей, заполненных только газом или электролитом. Пропускание самых ярких ( T _газ ) и самых темных областей образца ( T _elec ) было получено из нейтронных изображений.Толщина электролита в самом ярком пятне была установлена ​​на d _elec = 0 (предполагается, что в нем нет электролита и только газ), в то время как толщина самого темного участка соответствует максимальному значению ( d _{elec, max} ). в камере.

Рисунок 2

Схема калибровки толщины с учетом участков, заполненных исключительно газом или электролитом.

d _{elec, max} был рассчитан согласно:

Коэффициент затухания электролита (Σ _elec = 5.2385 см ^–1 ) было оценено на основе литературных значений, предполагая, что органический электролит состоит только из этилметилкарбоната ³² . Толщина газового пузыря в местоположении x, y тогда соответствует:

Объем в конечном итоге был определен с использованием известного размера пикселя ( A _{пиксель} = 69 мкм × 69 мкм) и маски ( f ) содержащие сегментированные пузырьки газа следующим образом:

Это позволяет получить общее количество (объем) образовавшегося газа как функцию времени и, следовательно, провести прямое сравнение различных аккумуляторных систем.

В следующих разделах мы описываем результаты нейтронной визуализации. Емкости заряда / разряда первого цикла и значения кулоновской эффективности (см. Таблицу S1), а также видеоролики измерений нейтронной визуализации можно найти в дополнительной информации. Кроме того, в таблице S2 приведены скорости газообразования.

На Рисунке 3 показаны кривые заряда / разряда ячейки LiFePO ₄ / Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ (LFP / LTO) вместе с изображениями пропускания нейтронов, сделанными после разного времени цикла (см. Также Дополнительный фильм 1).Очевидно, что для этой системы в течение первых двух циклов происходит незначительное выделение газа. Тем не менее, есть незначительные изменения в пропускании, особенно на краях электродов, которые, как мы полагаем, связаны с каким-то перераспределением электролита в элементе. Кроме того, газ, попавший в пакет во время сборки ячеек, несколько перемещается и на изображениях проявляется в виде ярких пятен.

Рисунок 3

Слева: Профили напряжения ячейки пакета LFP / LTO при скоростях C / 10 (первый цикл) и C / 2 (второй цикл).

Перед первой разрядкой аккумулятор находился под потенциалом холостого хода в течение 30 мин. Справа: изображения с пропусканием нейтронов, сделанные после разного времени цикла (обозначены зелеными точками) во время зарядки и разрядки.

Даже несмотря на то, что диапазон вносимого потенциала LTO (1,5 В относительно Li / Li ⁺ ) находится в пределах окна электрохимической стабильности большинства органических электролитов ³³ , выделение газов электродов LTO в результате разложения электролита на границе раздела имеет было сообщено ^34,35 .В недавней статье Гастайгера с соавторами выделение газа было приписано влаге, то есть присутствию следовых количеств воды в ячейке ³⁶ . В первом цикле, когда использовались строго высушенные компоненты батареи, газовыделения не наблюдалось, тогда как H ₂ и CO ₂ были обнаружены в ячейках, содержащих воду, с помощью электрохимической масс-спектрометрии в режиме онлайн. Катоды LFP также работают при сравнительно низком напряжении (3,5 В по сравнению с Li / Li ⁺ ) ³⁷ . Следовательно, в системе ячеек LFP / LTO не должно быть признаков разложения электролита (обратите внимание, что образование SEI не происходит на LTO) ³⁸ .Здесь рассматриваются только первые два цикла, и наблюдение незначительного выделения газа является разумным, учитывая, что ячейки мешка были собраны в сухой комнате.

Профиль напряжения и количество образующегося газа с течением времени, а также репрезентативные изображения пропускания нейтронов LFP / графитовой ячейки показаны на рис. 4 (см. Также дополнительный фильм 2). Плато заряда при 3,35 В характерно для редокс-пары Fe ²⁺ / Fe ³⁺ . Другие плато могут быть связаны с образованием различных соединений интеркаляции лития-графита (обратите внимание, что интеркаляция происходит поэтапно) ⁴ .Пик в конце первого цикла заряда может указывать на образование микродендритов из-за литиевого покрытия на поверхности графита. Причина этого пока не выяснена.

Рисунок 4

Слева: профили напряжения ячейки LFP / графитового мешочка при скоростях C / 10 (первый цикл) и C / 2 (второй цикл) и соответствующем образовании газа во времени.

Перед первой разрядкой аккумулятор находился под потенциалом холостого хода в течение 30 мин. Справа: изображения с пропусканием нейтронов, сделанные после разного времени цикла (обозначены зелеными точками) во время зарядки и разрядки.

Нейтронные изображения указывают на незначительное выделение газа в течение первых 0,5 часа зарядки. Однако через 10 часов образовалось значительное количество газообразных продуктов с V _газом ≈ 70 мкл, которое остается практически постоянным при дальнейшем циклировании. Во время первого цикла зарядки образование газа происходит с высокой скоростью из-за образования слоя SEI, возникающего в результате разложения электролита на графите ³⁹ . Эта поверхностная пленка имеет решающее значение для работы батареи, поскольку она защищает анод от вредных побочных реакций (например,g., соинтеркаляция растворителя) и предотвращает дальнейшее разложение электролита / выделение газа. Обычно SEI содержит различные неорганические и органические / полимерные частицы ⁴⁰ . Согласно Onuki et al. , CO и C ₂ H ₄ являются основными газообразными продуктами, оба из которых образуются в результате восстановления этиленкарбоната ¹¹ . Однако также сообщалось об образовании H ₂ из-за влаги или, другими словами, восстановления воды в электролите литированным графитом ⁴¹ .Принимая во внимание, что система ячейки LFP / LTO практически не показала выделения газа, мы заключаем, что выделение газа происходит исключительно на аноде, а образование SEI на графите в основном завершается после цикла формирования при C / 10 ⁴¹ .

Результаты нейтронной визуализации аккумуляторной ячейки LNMO / LTO показаны на рис. 5 (см. Также дополнительный ролик 3), что указывает на выделение газа при циклическом движении. В частности, данные с временным разрешением демонстрируют небольшое газообразование в первые несколько часов зарядки.Однако скорость значительно увеличивается, когда достигается второе плато никеля, и после этого остается постоянной (т. Е. В, , _{, газ,} , непрерывно увеличивается) — профиль заряда при C / 10 показывает два различных плато при 3,13 В и 3,20 В, соответствующие Ni ²⁺ / Ni ³⁺ и Ni ³⁺ / Ni ⁴⁺ окислительно-восстановительных пар соответственно. V _gas составляет ~ 65 мкл после завершения первых двух циклов.

Рисунок 5

Слева: профили напряжения пакетной ячейки LNMO / LTO при скоростях C / 10 (первый цикл) и C / 2 (второй цикл) и соответствующем образовании газа во времени.

Перед первой разрядкой аккумулятор находился под потенциалом холостого хода в течение 30 мин. Справа: изображения с пропусканием нейтронов, сделанные после разного времени цикла (обозначены зелеными точками) во время зарядки и разрядки.

LNMO работает близко к окислительному потенциалу электролитов на основе карбоната. Таким образом, при использовании чистого LNMO ожидается разложение электролита. По-видимому, на LNMO образуется поверхностная пленка (напоминающая графитовый SEI), но в настоящее время неясно, является ли она стабильной и может ли защитить электролит от дальнейших реакций разложения ⁸ .Газообразные продукты, образующиеся при образовании поверхностной пленки на LNMO, еще полностью не исследованы. Однако уже сообщалось об образовании CO ₂ из-за окисления растворителей электролита при высоких потенциалах ^42,43 . В целом данные нейтронной визуализации на рис. 5 демонстрируют, что газообразование является непрерывным, а также предполагают, что второе плато из никеля играет ключевую роль в газообразовании ячеек на основе LNMO.

Данные циклического и нейтронного изображения, полученные на системе LNMO / графит, показаны на рис.6 (см. Также Дополнительный фильм 4). Как видно, зависимости напряжения от времени показывают несколько плато, а те, что при 4,57 В и 4,64 В (при зарядке при C / 10) можно отнести к окислению никеля от Ni ²⁺ до Ni ³⁺ и Ni. ³⁺ до Ni ⁴⁺ , соответственно ⁴⁴ . Остальные плато связаны с графитом.

Рисунок 6

Слева: профили напряжения ячейки LNMO / графитового мешочка при скоростях C / 10 (первый цикл) и C / 2 (второй цикл) и соответствующем образовании газа во времени.

Перед первой разрядкой аккумулятор находился под потенциалом холостого хода в течение 30 мин. Справа: изображения с пропусканием нейтронов, сделанные после разного времени цикла (обозначены зелеными точками) во время зарядки и разрядки.

Реакции выделения газа начинаются почти мгновенно после зарядки ячейки мешочка. Форма кривой V _газа против t очень похожа на кривую LFP / графита в начале, а затем, после цикла зарядки, у LNMO / LTO. В первые несколько часов зарядки газообразные продукты образуются в основном за счет снижения содержания растворителей электролита.По завершении этого процесса выделение газа замедляется, и в дальнейшем выделении газа преобладают реакции окисления на границе раздела LNMO / электролит.

Из данных на рис. 6 очевидно, что общее количество генерируемого газа ( V _газ ≈ 250 мкл) почти в 2 раза больше, чем количество добавленного LFP / графита и LNMO / LTO. все вместе. Поскольку большая часть газообразных продуктов образуется во время первого цикла загрузки, это открытие предполагает, что на образование SEI на графите в некоторой степени (неблагоприятно) влияет катод.Мы полагаем, что как хорошо известная проблема растворения металла из LNMO в электролите, так и образование вредных продуктов разложения при высоких потенциалах ответственны за повышенное газовыделение. Что касается первого, растворенные ионы марганца и никеля могут быть включены в защитный поверхностный слой на графите, тем самым отравляя / повреждая его. То же самое можно сказать и о других продуктах разложения (H ⁺ и т. Д.). Это приводит к непрерывному образованию SEI и выделению газа, а также к снижению производительности.В последние годы было показано, что, среди прочего, содержание HF в электролите оказывает сильное влияние на растворение металла ¹⁰ . Полные ячейки с анодом LTO гораздо меньше подвержены этой проблеме, связанной с материалом, потому что LTO не формирует SEI. В совокупности данные, представленные в этом разделе, подчеркивают необходимость как в высококачественных «безводных» компонентах батареи, так и в добавках, которые позволяют формировать стабильный слой SEI как на катоде, так и на аноде. Тем не менее, мы отмечаем, что не только различный химический состав электродов, но и диапазон потенциалов во время циклирования (который, конечно, связан с комбинацией катод / анод) может быть ответственным за различное газообразование, поскольку электролит испытывает разные электродные потенциалы.

Интересный вопрос касается происхождения пузырьков газа, то есть мест зарождения. Можно было бы ожидать образования пузырьков непосредственно в пористой архитектуре анод / катод и их скопления между электродами — в порах сепаратора. Фактически, мы никогда не наблюдали образование пузырьков газа между электродами в ячейках с хорошими циклическими характеристиками, а только в редких случаях, когда приложенное давление было явно неравномерным (см. Также рисунок S4 дополнительной информации).Таким образом, можно сделать вывод, что образование пузырьков на краях предпочтительно в ячейках с однородным распределением давления вдоль электродов. Это также означает, что диффузия физически растворенного газа в электролите происходит достаточно быстро.

Для подтверждения результатов нейтронной визуализации были также проведены измерения давления на ячейках в твердом футляре (см. Фотографию и подробные сведения на рисунке S5 дополнительной информации). Как видно из рис. 7, кривые давления всех трех аккумуляторных систем, показывающие выделение газа, аналогичны тем, которые определены по данным нейтронной визуализации — они показывают ту же тенденцию.

Рисунок 7

Измерения давления на элементах батарей LNMO / LTO, LFP / графит и LNMO / графит.

Увеличение давления и расчетный объем газа показаны как функция времени. Параметры цикла были идентичны тем, которые использовались в экспериментах по нейтронной визуализации. Все значения были нормированы на размер электрода 2 × 4 см ² .

Пример расчета количества образующегося газа для LNMO / графита приведен в уравнениях (6) и (7). В этом случае измеренное повышение давления (Δ p ) составило 28 мбар.Мертвый объем ( V _{мертвых} ) ячейки в твердом футляре составил 6,2 мл. Предполагая, что давление в ячейке пакета ( p _pouch ) составляет 1 бар, общее количество газа можно рассчитать следующим образом:

Для LNMO / графита, LNMO / LTO и LFP / графита мы получили значения 174 мкл, 64 мкл и 47 мкл соответственно. По сравнению с нейтронной визуализацией эти значения примерно в 1,5 раза меньше (кроме LNMO / LTO).