Как правильно заряжать литий ионные аккумуляторы: Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор телефона, ноутбука и других устройств

Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы

Пользователи смартфонов — как обычные, так и энтузиасты — всегда ищут способы более продолжительного времени автономной работы устройств. Несмотря на то, что благодаря быстрой зарядке можно заряжать устройство каждый день, отсутствие сменных аккумуляторов означает, что в конечном итоге литий-ионные элементы, содержащиеся в наших телефонах, стареют и разрушаются.

Если Вы используете телефон в течение года или более, Вы, вероятно, заметили, что батарея работает не так долго, как в первоначальном состоянии. Два года спустя многие телефоны приходится заряжать несколько раз в день. Если Вы используете телефон в течение последних трех лет, это может даже означать проблемы для стабильности системы.

К сожалению, со временем емкость батареи неизбежно уменьшается. Тем не менее, есть вещи, которые Вы можете сделать, чтобы продлить срок службы батареи и телефона. Если Вы когда-нибудь задумывались о том, каков наилучший способ зарядки аккумулятора, вот несколько научно доказанных советов по продлению срока службы аккумулятора.

Частичная зарядка

Один из наиболее распространенных мифов о батарее заключается в том, что Вам необходимо время от времени полностью разряжать и заряжать устройство, чтобы стереть «память батареи». Это не относится к литий-ионным батареям. Это оставшийся миф от свинцово-кислотных элементов, и заряжать Ваш современный смартфон таким способом совершенно нежелательно.

Частичная зарядка подходит для литий-ионных аккумуляторов и может иметь некоторые положительные преимущества для долговечности элементов. Важно понимать, как заряжается аккумулятор. При приближении к разряду литий-ионные аккумуляторы потребляют постоянный ток и работают при более низком напряжении. Это напряжение постепенно увеличивается по мере того, как элемент заряжается, выравниваясь на уровне около 70 процентов, прежде чем ток начнет падать до полной емкости.

Важно отметить, что работа при низком напряжении хороша для срока службы батареи, увеличивая количество доступных циклов зарядки, прежде чем Вы начнете видеть значительное снижение емкости. Грубо говоря, каждое снижение напряжения элемента на 0,1В удваивает срок службы цикла, согласно Battery University. Поэтому зарядка телефона в диапазоне от 30 до 80 процентов снижает напряжение и продлевает срок службы батареи.

Кроме того, «глубина разряда» оказывает аналогичное влияние на общий цикл разряда до того, как емкость аккумулятора упадет. Это относится к количеству израсходованной батареи в промежутках между зарядами.

Использование всего лишь 20 процентов заряда аккумулятора между зарядками не будет практичным для большинства людей, но зарядка на 50%, приведет к заметному улучшению срока службы аккумулятора в долгосрочной перспективе, особенно если Вы каждый раз избегаете полной зарядки. Суть в том, что небольшие регулярные пополнения заряда намного лучше для литий-ионных аккумуляторов, чем длительные полные циклы зарядки.

Избегайте простоя зарядки

Ставить устройство на зарядку ночью или на весь день — очень распространенная привычка, но она не рекомендуется по нескольким причинам (старый миф о «перезарядке» не является одним из них). Во-первых, непрерывная подзарядка полностью заряженной батареи может привести к металлизации металлического лития, что снижает стабильность в долгосрочной перспективе и может привести к сбоям в работе всей системы и перезагрузкам. Во-вторых, это оставляет аккумулятор на более высоком напряжении, когда аккумулятор находится на 100%, как мы упомянули выше. В-третьих, создается избыточное тепло, вызванное потерей мощности.

В идеале, устройство должно прекратить зарядку, когда оно достигнет 100-процентной емкости аккумулятора, включив только цепь зарядки, чтобы время от времени пополнять аккумулятор — или, по крайней мере, уменьшая зарядный ток до очень малых величин.

Последний пункт, который стоит упомянуть, это паразитная нагрузка. Это происходит, когда батарея сильно разряжается при зарядке, например при просмотре видео или играх во время зарядки.

Такие нагрузки вредны для батарей, потому что они искажают цикл зарядки и могут вызывать мини-циклы, когда часть батареи непрерывно работает и изнашивается с большей скоростью, чем остальная часть элемента. Еще хуже — паразитные нагрузки, когда устройство полностью заряжено, также вызывают более высокое напряжение и нагревание батареи.

Лучший способ избежать паразитных нагрузок — выключить устройство во время зарядки. Но, вероятно, более реалистично поддерживать рабочую нагрузку очень легкой, пока устройство подключено к сети, оставляя его большую часть времени в режиме ожидания. Не забудьте отключить его, как только батарея будет достаточно заполнена.

Тепло — враг долгого времени автономной работы

Наряду со всем вышеперечисленным, температура также является ключевым фактором, влияющим на долговечность батареи. Как и при высоких напряжениях, высокие температуры нагружают аккумулятор и заставляют его терять емкость гораздо быстрее, чем при низких температурах.

Ячейка с температурой от 25 до 30 градусов по Цельсию должна сохранять около 80 процентов своей емкости после первого года даже при цикле от полной до полной зарядки. Емкость батареи будет выше через год, если будут использоваться меньшие периодические циклы зарядки. Повышение температуры до 40°C приведет к падению емкости до 65% после первого года, а при температуре аккумулятора 60°C достигнет этого показателя всего за три месяца.

Аккумулятор, находящийся в полностью заряженном состоянии и подверженный воздействию высокой температуры, является худшим из всех вариантов и это первое, что следует избегать при зарядке телефона. Поэтому не оставляйте телефон под подушкой, чтобы заряжать его ночью, и не включайте его в приборную панель Вашего автомобиля в жаркий день.

Технологии быстрой зарядки являются спорным вопросом, так как более высокий ток и напряжение могут определенно привести к нагреванию устройства во время зарядки. Быстрая зарядка никогда не предполагалась для зарядки полного цикла, она требовалась для быстрого способа пополнить заряд батареи, чтобы снова использовать устройство. Если оставить телефон на быстрой зарядке в течение 15–20 минут, это не приведет к серьезным проблемам с перегревом, но мы, конечно, не рекомендуем использовать их для зарядки в течение ночи.

Объединяя все это вместе

Технология литий-ионных аккумуляторов хорошо известна в наши дни, но вредные привычки и мифы все еще пронизывают общественное сознание. Хотя большинство этих привычек не окажет серьезного негативного влияния на срок службы аккумулятора Вашего телефона в среднесрочной перспективе, сокращение количества телефонов со сменными аккумуляторами означает, что мы должны принять дополнительные меры предосторожности, чтобы максимально увеличить срок службы аккумулятора телефона и срок его службы.

Говоря в общем, меньшие регулярные циклы зарядки и сохранение Вашего телефона в прохладном состоянии являются ключевыми вещами, которые нужно помнить. Хотя следует отметить, что разные аккумуляторы для телефонов всегда будут стареть немного по-разному, в зависимости от того, как мы к ним относимся.

Как правильно заряжать батарейки смартфонов и ноутбуков?

На сегодняшний день существует три вида аккумуляторов: литий-ионный (Li-Ion), литий-полимерный (Li-рol) и уже не выпускающийся вид — никель-металлогидридный (NiMH). Отличие двух аккумуляторов на основе ионов лития заключается главным образом в типе электролита — вещества, способного накапливать и отдавать ток. Литий-ионный аккумулятор имеет жидкий электролит – у таких батарей срок эксплуатации достаточно велик, однако энергетические свойства малы. Кроме того, «жидкие» аккумуляторы имеют значительный вес.

В смартфонах и ноутбуках, как правило, используются литий-ионные аккумуляторы. Существуют различные легенды о том, как правильно их заряжать. Например, можно услышать, что следует полностью разряжать аккумулятор, а потом заряжать его на 100%.

Эти легенды возникли во времена никелевые аккумуляторы – предшественников современных литий-ионных. У никелевых батареек существовал «эффект памяти». Такие устройства нужно было разряжать до нуля и полностью заряжать, иначе емкость его начинала уменьшаться. Литий-ионные аккумуляторы лишены этого недостатка. Тем не менее, есть правила, соблюдения которых максимально продлят срок их жизни.

1. Заряжайте батарейки регулярно

Не допускайте разряда до нуля. Посмотрите на таблицу зависимости количества полных циклов зарядки (срока службы аккумулятора) от глубины разрядки. Из нее понятно, что лучше поддерживать батарейку в «почти заряженном» состоянии.

 

2. Не оставляйте устройство на зарядке

Не все устройства интеллектуально отключают зарядку при полном заряде батареи. Некоторые устройства, живущие на зарядке, будут постоянно пытаться подзарядить уже полную батарейку, вызывая ее перегрев.

3. Калибровка: раз в месяц полностью разрядите и снова зарядите батарейку

Это нужно для калибровки устройства. Дело в том, что видимые «рисочки» зарядки на телефоне и ноуте рассчитывается исходя из ожидаемой остаточной работы. Если поддерживать устройство почти заряженным, то эти данные искажаются и отображается не реальный заряд батареи. Чтобы откалибровать устройство следует изредка полностью разрядить батареи и снова зарядить до 100%.

4. Не допускайте перегрева устройства

Высокие температуры уменьшают срок жизни аккумулятора. Это видно из таблицы ниже. 

 

Именно поэтому избегайте оставлять телефон на зарядке на ночь и не работайте с ноутом на коленях (отсутствие вентиляции не только перегревает процессор, но и батарейки тоже).

5. Реанимация «умерших» батареек

Если у вас есть устройство, которое очень давно не включалось, то при попытке поставить его на зарядку ни к чему не приведет. Не спешите выбрасывать батарейку. Оставьте устройство на зарядке на несколько часов – батарейка может отжить и устройство включиться. Затем полностью зарядите его. Старайтесь не доводить заряд  литий-ионных батареек до нуля в будущем.

Как правильно заряжать аккумулятор Li-ion?

На данный момент аккумуляторные батареи типа литий-ион являются наиболее совершенными из доступных потребителю. Их старшие братья Никель-Кадмий и Никель-Металлгидрид несколько устарели морально и пользуются спросом лишь за счет доступной цены. Тем не менее, Li-ion постепенно захватывает лидирующие позиции. Он обладает рядом преимуществ. Во-первых, литий-ионные батареи весят значительно меньше своих собратьев, и это при одинаковой емкости и мощности. Во-вторых, они практически лишены «эффекта памяти», от которого так страдают Ni-Cd и Ni-Mh. В-третьих, Li-ion быстро заряжается и имеет более долгий срок жизни. Тем не менее, несмотря на все его однозначные преимущества, такие аккумуляторы тоже требуют правильного ухода. Об этом речь в этой статье и пойдет. Итак,

4 основные момента, которые следует знать для длительной жизни Li-ion аккумулятора.

 

• Не допускать полного разряда и перезаряда аккумулятора.  Исходя из особенностей химических составляющих данного типа аккумулятора, рекомендуется не допускать не только полного разряда, но и чрезмерного заряда аккумулятора. Благодаря тому, что в Li-ion практически отсутствует «эффект памяти», его вовсе не обязательно полностью разряжать, а скорее наоборот, не дожидаясь нулевого заряда, ставить аккумулятор на зарядку. Таким образом, можно значительно увеличить количество циклов «жизни» батареи. Обыкновенно производители аккумуляторов рекомендуют доводить разряд до остатка в 10-20%, ну а заряжать аккумулятор на 80-90%.

• Хранить аккумуляторы Li-ion рекомендуется частично заряженными. Наилучшим вариантом хранения литий-ионного аккумулятора считается показатель заряженности в 30-50%. Для уяснения последствий несоблюдения этого правила достаточно просто посмотреть на крайние стороны этого процесса. Если перед хранением полностью зарядить аккумулятор, то весьма вероятно, что может пострадать его емкость. Если же оставить аккумулятор на длительное время полностью разряженным, то весьма вероятен тот вариант, что после такого, его уже нельзя будет «оживить». Кстати, при хранении аккумулятор лучше вынимать из инструмента. Также есть небольшая хитрость. Можно хранить аккумулятор в холодильнике (но не в морозилке) в герметичной емкости. Это отлично способствует продлению жизни батареи.

• Используйте только оригинальные зарядные устройства. Производители инструментов и аккумуляторов достаточно внимательно относятся к тому, чтобы зарядные устройства идеально подходили под конкретную модель аккумулятора. Исходя из этого, не рекомендуется использовать для зарядки аккумуляторов зарядные устройства сомнительного качества. Весьма может так оказаться, что батарее это будет совсем не на пользу.

• Не допускайте перегрева и переохлаждения аккумуляторных батарей. Li-ion весьма чувствителен к таким перепадам температур. Они действуют на него весьма отрицательно и даже разрушающе. Именно поэтому рекомендуется эксплуатировать инструмент с Li-ion-аккумуляторами в диапазоне окружающей температуры от +10°С до +25°С. При работе в минусовых температурах срок жизни аккумулятора и вовсе резко сократится.  

 

Следует отметить, что Li-ion является самым неприхотливым видом, как в эксплуатации, так и в хранении. Никаких невероятно сложных манипуляций производить с ним не нужно. Только соблюдать несколько правил, и жизнь аккумулятора станет значительно продолжительней. 

 

Так как аккумуляторный инструмент в своей работе целиком и полностью зависит от своей батареи, лучше не пренебрегать простыми правилами ухода за аккумулятором. Вполне может случится, что при выходе аккумулятора из строя, инструмент может стать бесполезным (это, конечно же в том случае, если аккумуляторы конкретной модели будут сняты с производства). Кстати, сразу докупать запасные Li-ion аккумуляторы тоже не имеет смысла, потому что срок его жизни начинает тикать не с начала эксплуатации, а с даты выпуска.

 

Должен ли я постоянно заряжать свои литий-ионные аккумуляторные батареи для своей тележки для гольфа 48v 100ah?

Должен ли я постоянно заряжать свои литий-ионные аккумуляторные батареи для своей тележки для гольфа 48v 100ah?

На протяжении многих лет было много споров о том, как взиматьЛитий-ионные аккумуляторы 48 в 100ачрегулярно. Каким бы простым ни казался вам этот предмет, он может определить, прослужит ли ваша батарея так долго, как ожидалось, или нет. Это связано с тем, что отсутствие правильной осведомленности может заставить вас не заряжать его должным образом, что может повлиять на его общий срок службы и производительность. Например, большинство людей не знают, заряжать ли литий-ионные аккумуляторы 48 В 100ач постоянно или нет. Их подходы основаны на полном предположении.

Вы не знаете, как заряжать литий-ионный аккумулятор 48 В 100ач? Вы знаете, что есть правильный и неправильный способ сделать это? Большинство людей заряжают аккумуляторы своих гольф-мобилей неправильно, не беспокоясь. Проблема с такой практикой в ​​том, что всегда есть какие-то долгосрочные последствия. Например, неправильная зарядка может заставить вас купить другойЛитий-ионный аккумулятор 48 в 100ачраньше чем позже. Это связано с тем, что такая батарея может потерять свою силу раньше ожидаемого времени.

Основная цель этого поста — помочь вам понять все о том, как заряжать литий-ионный аккумулятор для гольф-кары. Подробности, которые будут представлены ниже, помогут убедиться, что вы будете делать какие-либо догадки, когда дело доходит до того, как поддерживать литий-ионные аккумуляторы вашей тележки для гольфа в наилучшем состоянии.

Правильно ли регулярно заряжать литий-ионный аккумулятор для гольф-мобиля?

Слово \»регулярно \» здесь может означать многое. Поэтому однозначного ответа на этот вопрос нет. Например, ответ может быть да или нет. Все зависит от ситуации или обстоятельств. Не существует полностью неправильного или правильного ответа относительно того, можете ли вы взиматьЛитий-ионные аккумуляторы 48 в 100ачрегулярно. Ниже приведен типичный пример, который поможет вам лучше понять.

Ваш литий-ионный аккумулятор полностью разряжен. В этом случае вам необходимо зарядить его, чтобы ваша тележка для гольфа работала должным образом. Фактически, было рекомендовано, чтобы литий-ионные батареи не разряжались ниже 2,5 В. Это способ убить их клетки и снизить их производительность с годами. Конечно, конечным результатом будет замена такой батареи, так как она истечет раньше ожидаемого срока. В этом случае можно сказать, что да, правильно заряжать литий-ионный аккумулятор, когда он разряжен до определенного уровня.

С другой стороны, регулярная зарядка такой батареи может быть не очень хорошей идеей, когда она еще полна или поддерживает разумный процент. Это потому, что вы, не зная, будете сокращать срок его службы. Каждый литий-ионный аккумулятор для гольф-кара имеет цикл зарядки. Некоторые составляют около 1000 циклов, а другие — более 1000 циклов. Это означает, что попытка зарядить аккумулятор, когда это не требуется для такого упражнения, будет засчитываться как один завершенный цикл.

Постепенно аккумулятор будет терять свою способность удерживать мощность по мере увеличения циклов зарядки. Суть в том, чтобы ваша батарея была заряжена всякий раз, когда это необходимо. Попытка сделать это всякий раз, когда в этом нет необходимости, только в значительной степени снизит уровень его производительности. Один из способов обеспечить зарядку литий-ионных аккумуляторов 48 В, 100 Ач, когда это необходимо, — это контролировать их уровни заряда / разряда. Как бы просто это ни звучало, это может дать вам приблизительное представление о том, в какое время нужно заряжать такие батареи для вашей тележки для гольфа.

Советы по зарядке литий-ионных аккумуляторов для гольф-каров 48 в 100ач

Зная, правильно ли заряжать литий-ионные аккумуляторы для гольф-мобилей, нет никаких сомнений в том, что вы хотите добавить немного мощности к своей. Ниже приведены несколько советов по зарядке, которые помогут вам максимально эффективно использовать свойЛитий-ионный аккумулятор для гольф-карт 48 в 100ач.

Частичная зарядка кажется намного лучше

Это правда, что литий-ионные аккумуляторы для гольф-карт можно полностью зарядить. Однако это не самое лучшее, что обнаружили эксперты в ходе некоторых исследований. Причина проста, поскольку перезарядка может со временем снизить его мощность. Со временем катодный материал начнет терять стабильность, что приведет к образованию CO2. Поэтому рекомендуется всегда заряжать такую ​​батарею частично. Другими словами, убедитесь, что он не заряжен полностью.

Опять же, рекомендуется смотреть на уровень заряда батареи во время зарядки, чтобы знать, когда такой процесс следует остановить. Так же, как не рекомендуется допускатьлитий-ионный аккумулятор для гольф-каразаряжать до полной, поэтому он должен полностью разрядиться. Всегда есть какие-то долгосрочные последствия.

Зарядка при умеренной температуре

Большинство людей еще не знают, что литий-ионные батареи лучше работают при низкой температуре. Другими словами, их зарядка — это процесс, который очень эффективен только в прохладных местах. Если ваш гольф-мобиль очень горячий, в дальнейшем такой процесс может вызвать дополнительные проблемы. Например, зарядка при высокой температуре сокращает срок службы. Поэтому рекомендуется, чтобы температура не опускалась ниже 250 ° C.

Вы рискуете попытаться зарядить в жарком месте, поскольку емкость накопителя энергии уменьшится. Это одна из основных причин, почему большинство литий-ионных аккумуляторов для гольф-каров прослужат не более 2 лет, прежде чем их выбросят. Перед зарядкой таких батарей убедитесь, что температура всегда принимается во внимание. Это один из самых простых способов обеспечить оптимальную работу литий-ионных аккумуляторов 48 В, 100 Ач.

Вывод

Исходя из вышеизложенного, можно видеть, что регулярная зарядка литий-ионного аккумулятора для гольф-мобиля 48 В, 100 Ач полностью зависит от некоторых обстоятельств. Другими словами, бывают случаи, когда такая практика является правильной. Также бывают периоды, когда это делать неправильно.

Подробнее оПользовательские литий-ионные аккумуляторные батареи для гольф-карт 48 в 100ач, вы можете посетитьПроизводитель никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов на заказАккумулятор JB вhttps://www.jbbatterychina.com/custom-nimh-battery-packs.htmlдля получения дополнительной информации.

О жизни и здоровье литий-ионных батарей

Технологии идут вперед, но инерция мышления, человеческая лень и нежелание учиться новому тянут нас назад. Типичный пример — рекомендации продавцов мобильных телефонов по уходу за аккумулятором. Рассмотрим наиболее распространенные заблуждения относительно литий-ионных аккумуляторов, повсеместно применяемых ныне в мобильных телефонах, медиаплейерах, фотоаппаратах и прочих устройствах, требующих автономного питания.

1. «…и помните, первая зарядка — 12-15 часов…», или «…просто оставляете на зарядке на всю ночь…»

2. «…а через 3-5 циклов аккумулятор «раскачается» и наберет полную емкость…»

3. «…желательно полностью заряжать и разряжать батарею…»

4. «… ну и что, что батарее уже больше года, она же не использовалась. Срок службы батареи зависит исключительно от количества циклов «заряд–разряд»…»

Знакомые фразы, да? Я такое слышу постоянно, особенно первые два пункта. И вот наконец, как говорится, «дошли руки» разобраться основательно, что же такое эти литий-ионные (а заодно и литий-полимерные) аккумуляторы, как их лучше заряжать, разряжать и хранить. На оригинальность нижеследующего текста не претендую (информация собрана из интернет-публикаций и энциклопедий), просто хочу внести и свой скромный вклад в популяризацию этих знаний. И для начала немного истории.

Итак, первый серийный литий-ионный аккумулятор был создан компанией SONY в 1992 году. До тех пор аккумуляторы с положительным электродом из лития существовали и использовались, но были небезопасны, т.к. часто загорались и взрывались вследствие внутреннего короткого замыкания. Инженеры SONY заменили чересчур активный металлический литий ионной формой (первоначально использовался кобальтат лития) и снабдили каждую батарею электронной схемой BMS (Battery management System), которая контролировала режимы заряда/разряда и не допускала появления в аккумуляторе металлического лития — виновника тех самых коротких замыканий.

Наличие BMS автоматически опровергает первую из приведенных рекомендаций — управляющая электроника просто не даст зарядить аккумулятор больше, чем это предусмотрено его изготовителем, а весь остаток ночи зарядное устройство будет просто накручивать ваш электросчетчик и обогревать комнату.

Поскольку японская корпорация предусмотрительно запатентовала использованные в своих аккумуляторах материалы, другим производителям пришлось искать альтернативы. И они были найдены, причем две из них (с литий-марганцевым и литий-железофосфатным анодом) оказались в чем-то даже лучше оригинала. Электролит также совершенствуется, и вместо соединения лития, растворенного в органическом растворителе, уже довольно давно и широко применяется сухой полимерный материал. Такие аккумуляторы получили маркировку «Li-Polymer» («Li-Pol»), что не совсем верно. Побочным эффектом этих разработок стало возрождение источников питания с анодами из металлического лития — твердый полимерный электролит создает в месте контакта с литием защитный слой, исключающий внутренние замыкания. Именно такие аккумуляторы могут с полным правом называться литий-полимерными. Но, поскольку нормальная проводимость ионов лития в твердом электролите возможна при температуре от +40 °С и выше (по другим источникам — от +60 °С), использоваться в портативных устройствах они никак не могут.

Подробнее об устройстве и особенностях различных типов аккумуляторов можно почитать, например, здесь, здесь и здесь (англ.))

Для утверждения №2 о постепенной «раскачке» не потребовалось искать научных опровержений, помогла практика. Недавно приобретенный на замену штатному аккумулятор для Motorola V9 после первой же полной зарядки отработал почти 5 суток (в 2G сети при небольшом количестве разговоров). А вскоре еще два новых гаджета подтвердили тот факт, что литий-ионным аккумуляторам «тренировка» не требуется.

У рекомендации номер 3 «ноги растут» еще из правил эксплуатации никель-кадмиевых батарей, которые нужно было полностью разряжать перед зарядкой, иначе батарея необратимо теряла часть емкости. Так вот, мало того, что литий-ионные аккумуляторы не имеют «эффекта памяти», им еще и противопоказан глубокий разряд. При частом использовании это не актуально, т.к. BMS не дает батарее разряжаться полностью, но если оставить ее в разряженном состоянии на месяц, есть большая вероятность, что остатки заряда «утекут», в аккумуляторе произойдут необратимые изменения, и его жизненный цикл на этом завершится. Перезаряд тоже вреден, но контроллер батареи его не допустит.

Кроме того, рекомендация использовать полные циклы «заряд/разряд» имеет еще два «обоснования». Часто встречается ее вариант «заряжайте как хотите, но хотя бы раз в неделю (месяц) разрядите и зарядите полностью». Такая схема работы оптимальна для никель-металгидридных аккумуляторов — они также обладают эффектом памяти, но намного меньшим, чем Ni-Cd, и восстанавливают емкость после 1-2 полных циклов.

Из утверждения номер 4 следует логичный вроде бы вывод – раз время жизни батареи измеряется количеством циклов, значит, лучше использовать их полностью. Здесь тоже не всё так просто. Во-первых, полный заряд и полный разряд быстрее изнашивают батарею, поэтому не стоит бояться неполных циклов — напротив, они продлевают ее жизнь.

Глубина разряда	Количество циклов разряда
100%	500
50%	1500
25%	2500
10%	4700

(Источник — http://bit.ly/fw97v8)

Во-вторых, литий-ионные аккумуляторы стареют и теряют емкость даже без использования. Уже после года «на полке» теряется 5-10% ресурса батареи, после 2 лет — до 30%. Поэтому, приобретая новое портативное устройство, обращайте внимание на дату выпуска источника питания. Очевидно также, что покупка батареи «впрок», даже если ее трудно найти в продаже, бесполезна. Но если режим работы гаджета требует зарядки чаще раза в сутки, то можно использовать 2 аккумулятора по очереди.

Тут мы плавно переходим к вопросу хранения. Установлено, что лучше всего литий-ионные аккумуляторы хранятся при температуре около +5°. Чем выше температура эксплуатации и хранения аккумулятора, тем быстрее он стареет и теряет емкость. Если вы не пользуетесь старым телефоном, но хотите сохранить его в рабочем состоянии на всякий случай — извлеките его батарею, предварительно зарядив (или разрядив) ее примерно до 40%, упакуйте в герметичный полиэтиленовый пакет, положите в холодильник и раз в полгода-год подзаряжайте до того же уровня, предварительно дав прогреться до комнатной температуры.

Кстати, о температурном режиме. Оптимальная температура для зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов — комнатная (20–25 градусов Цельсия), причем если разряжать их можно и при отрицательных температурах (до -10…-20 °С), то заряжать можно (внимание!) только при положительных.

Вот еще одна интересная табличка:

 

Деградация характеристик наиболее распространенных литий-кобальтовых аккумуляторов в связи с температурой хранения и степенью заряда

Температура, °C	40% уровень заряда	100% 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 3 месяца

Ну и краткое резюме всего вышесказанного:

Использование:

— не оставлять аккумулятор надолго полностью разряженным

— не бояться неполных циклов заряда/разряда

— не заряжать при температурах ниже 0°С

Хранение:

— отдельно от телефона в прохладном месте с начальным уровнем заряда 40-50%

— подзарядка раз в полгода-год (после прогрева до комнатной температуры).

Как правильно заряжать гаджеты | Наука и жизнь

Разбираемся в особенностях литий-ионных аккумуляторов.

Скоро наступят настоящие морозы, а это значит, что каждый день обладатели смартфонов рискуют оказаться с холодным куском железа в руках. Почему так происходит и как правильно заряжать гаджеты? Вместе с кандидатом химических наук Даниилом Иткисом мы разобрались в этих вопросах в рамках научно-популярного проекта «Отвечает Менделеев» от YouTube.

Фото: iphonedigital/Flickr.com CC BY-SA 2.0

Даниил Иткис, кандидат химических наук, старший научный сотрудник МГУ, руководитель лаборатории химических источников тока Федерального исследовательского центра химической физики:

Итак, что же такое аккумулятор и в чём его отличие от батареи? Аккумулятор служит накопителем энергии, которая используется устройствами. Его главное отличие от того, что мы называем «батарейкой» — возможность повторения цикла разряда-заряда. Иными словами аккумулятор можно заряжать, а вот батарея отдает энергию лишь один раз.

В большинстве современных гаджетов используются литий-ионные аккумуляторы. Они выглядят как уплощённая коробочка, внутри которой находится рулон. Рулон сворачивают из двух слоёв металлической фольги, медной и алюминиевой, с нанесенными покрытиями. На медную фольгу нанесен слой графита (материал отрицательного электрода), а на алюминиевую – оксидный материал, содержащий ионы лития и переходных металлов, например, кобальта (положительный электрод). Их разделяет пористая полимерная плёнка, пропитанная электролитом. Во время заряда между электродами создают напряжение, и ионы лития покидают материал положительного электрода, перемещаясь в графит. В его решётке есть полости, куда и встраиваются ионы.

Нобелевскими лауреатами по химии в 2019 году стали трое учёных, внёсших значимый вклад в развитие технологии литий-ионных аккумуляторов: Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингэм и Акиро Ёсино. Фото: Nobel Prize.

Пока гаджет работает, аккумулятор разряжается, а процесс идёт в обратном направлении: ионы лития возвращаются на положительный электрод. Электроны при этом двигаются от одного электрода к другому через внешнюю электрическую цепь. Они совершают полезную работу — передают энергию микросхемам наших гаджетов. 

Первый цикл заряда аккумулятора проходит на заводе изготовителя. В этот момент ионы лития впервые проникают в графитовый электрод, и получается новое химическое вещество с похожей на графит структурой. Но свойства этого вещества совсем не похожи на свойства графита – даже его цвет меняется: с графитового на золотистый. Это соединение вступает в реакцию с электролитом. При этом выделяется газ, а на электроде образуется защитная плёнка, которая не препятствует работе аккумулятора, но в то же время не даёт этой реакции идти дальше. Из-за этого газа аккумулятор надувается. Прямо на заводе его вскрывают, выкачивают газ и повторно герметизируют. Только после этого аккумулятор оказывается в гаджетах и отправляется в магазины.

Если литий-ионный аккумулятор вздулся в процессе эксплуатации или хранения – пользоваться им небезопасно, и такой аккумулятор следует утилизировать. Фото:  Misanthropic One/Flickr.com CC BY 2.0

Так почему смартфоны разряжаются на морозе? Зачастую проблема вовсе не в аккумуляторе, а в программном обеспечении устройства. При низких температурах ионам лития становится всё труднее перемещаться между электродами, и в результате у аккумулятора возрастает внутреннее сопротивление. Из-за этого при работе напряжение внутри аккумулятора падает, хотя уровень заряда остается неизменным. Большинство устройств судит о степени заряда аккумулятора по напряжению. Гаджет считает, что холодный аккумулятор — это то же самое, что и разряженный, поэтому смартфоны так часто отключаются при минусовых температурах. Иногда якобы разрядившийся смартфон, оживает при комнатной температуре и показывает уровень заряда, достаточный для нормальной работы.

Три важных совета, чтобы аккумулятор вашего гаджета оставался безопасным и служил как можно дольше. 

Совет №1: не заряжайте холодный аккумулятор
Конечно же, после неожиданного отключения на морозе хочется как можно скорее его оживить, но делать это ни в коем случае нельзя. Это напрямую связано с процессами, описанными выше. При низкой температуре ионы лития могут не успевать равномерно распределиться в кристаллической решётке графита и вместо этого скапливаются у поверхности. При дальнейшем заряде ионы уже не могут найти свое место и начинают превращаться в металлический литий, который оседает на электроде. Это может закончиться коротким замыканием и даже возгоранием батареи.

Низкие температуры – весьма суровое испытание для аккумулятора смартфона. Фото: Jonathan Grado/Flickr.com CC BY-SA 2.0

Совет №2: используйте оригинальные зарядные устройства
Долгие часы у розетки или балласт в виде внешнего аккумулятора. Знакомо? Каждый из нас хочет, чтобы гаджеты заряжались за секунды, однако увеличение скорости заряда не идёт на пользу аккумулятору. В наиболее энергоёмких аккумуляторах в качестве положительного электрода используются сложные смешанные оксиды, содержащие кобальт, марганец, литий и никель. Количество последнего напрямую влияет не только на энергоёмкость аккумулятора, но и на стабильность его работы. При заряде, когда весь литий переходит в отрицательный графитовый электрод, часть никеля иногда теряется, растворяясь в электролите. При слишком активной зарядке из материала положительного электрода теряется еще и кислород, а это может вызвать возгорание.

При неправильной эксплуатации или повреждениях литий-ионный аккумулятор может представлять серьёзную угрозу. Фото: Jasper Nance/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0

Совет №3: избегайте механических повреждений аккумулятора 
Часто носите телефон в заднем кармане? Это же так удобно! Главное — не садиться на него. Защитная пленка, которая образовалась на электроде при первом заряде, со временем начинает трескаться сама по себе (из-за того, что при работе материалы электродов чуть-чуть меняют свой объем), а механические повреждения только усугубляют ситуацию. Как только пленка треснула, вместо нее при заряде образуется новая. На это расходуется и электролит, и ионы лития. Подвижных ионов лития становится меньше, соответственно, и ёмкость аккумулятора уменьшается.

Заряжайте гаджеты правильно!

Зарядка аккумуляторов

Химические источники постоянного тока сегодня используются повсеместно. С некоторыми из видов аккумуляторов Вы, безусловно, стакивались и имеете о них какое-то представление. При этом, какой бы информацией Вы не владели, всегда стоит вопрос о правильной подзарядке того или иного типа аккумулятора. Ведь при неправильном совершении заряда срок службы и качество работы может существенно снизиться.

В данной статье мы Вам расскажем о том, как нужно правильно заряжать каждый тип аккумулятора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует заряжать постоянным током, величина которого (А) не более 10% показателя емкости батареи (А•ч). Данный способ зарядки является наиболее безопасным и уже стал традиционным. Тем не менее, многие производители сегодня стремятся указывать точный допустимый показатель для определенного аккумулятора. Как правило, данный показатель достигает 30% от показателя емкости. Важно помнить о том, что показатель напряжения 1-ой ячейки такого типа аккумулятора не должен превышать 2,3 В. То есть, при заряде батареи необходимо отслеживать напряжение Приведем пример: двенадцативольтовая батарея включает в себя шесть ячеек, следовательно, общий показатель напряжения в конце подзарядки не должен переступать порог в 13,8 В.

В случае, если емкость аккумулятора равняется 100 (А•ч), а постоянный ток подзарядки – 20 А, то спустя около шести-семи часов 90% заряда будет достигнуто. После достижения данного показателя нужно перейти на режим постоянного напряжения и по истечении 17 часов процесс зарядки будет закончен. Возникает вопрос – почему так много времени уходит на заряд? Все потому, что ток постепенно будет понижаться, а напряжение при этом медленно, но верно будет идти к показателю в 13,8 В. В итоге, аккумулятор будет безопасно заряжен и надежен и для буферной эксплуатации, и для цикличной.

Другой метод заряда свинцово-кислотных аккумуляторов позволяет достигнуть 100% емкости за короткое время (около шести часов) и подходит для цикличного режима использования.

Заключается данный способ в следующем: сила тока заряда устанавливается на 20% от емкости батареи, а напряжение фиксируется на 14,5 В.

Последние модели зарядных устройств от надежных производителей не допускают возникновения критических ситуаций при осуществлении заряда аккумулятора.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Никель-кадмиевый аккумулятор требует к себе очень осторожной подзарядки, поскольку нельзя допускать возникновения перезаряда. Перезаряд провоцирует образование кислорода, а использование тока при этом медленно понижается. Таким образом, заряд никель-кадмиевого аккумулятора характеризуется ростом его давления внутри корпуса. Специалисты советуют заряжать данный тип аккумулятора при температурном режиме +10 — +30 градусов по Цельсию. При таких показателях происходит поглощение выделяемого кислорода кадмиевым электродом.

Цилиндрические рулонные НК-аккумуляторы допускают заряд при быстрой скорости, ведь электроды внутри них расположены очень плотно друг к другу. При стандартном режиме заряда в течение 16 ч происходит полный заряд от 1В до 1,35В. Сила тока при этом равняется 0,1С.

Для того, чтобы увеличить скорость заряда современные НК-аккумуляторы имеют возможность использования тока постоянной величины. Но в таком случае нужен постоянный контроль во избежание перезарядов.

Как правило, никель-кадмиевые аккумуляторы заряжаются при постоянном токе величиной 0,2С-0,3С в течение трех-шести часов. При этом допускается перезаряд до 140%.

Важно отметить, что никель-кадмиевые аккумуляторы отличаются эффектом памяти, то есть обратимая потеря емкости. Именно поэтому заряжать необходимо полностью разрядившийся аккумулятор до 0%. Иначе в следствие возникнувшего «недозаряда2 аккумулятор лишается возможности отдавать полноценно заряд. Хранение НК-аккумуляторов происходит в абсолютно разряженном состоянии. В осуществлении заряда никель-кадмиевого аккумулятора применяются специальные зарядные устройства.

Никель-металл-гидридный аккумулятор

Никель-металл-гидридный аккумулятор – современная разработка, которая признана служить заменой выше описанных никель-кадмиевых аккумуляторов. При аналогичных габаритах данные аналоги отличаются большей емкостью (на 20%) и не имеют эффекта памяти. То есть, возможно осуществление дозаряда. Особенность данного типа аккумулятора заключается в том, что для заряда никель-металл-гидридного аккумулятора, хранившегося частично разряженным больше тридцати суток, его нужно полностью разрядить. При этом хранение осуществляется при неполном заряде – до 40%. Новый никель-металл-гидридный аккумулятор, который ранее не использовался, перед зарядом необходимо «потренировать». То есть, нужно осуществить полный заряд и полный разряд устройства около четырех-пяти раз. Такая «тренировка» позволит увеличить емкость аккумулятора. 

Никель-металл-гидридныеаккумуляторы очень чувствительны к повышению температуры, поэтому не следует допускать их перегрева более 50 градусов по Цельсию. Заряжать данные аккумуляторы необходимо постоянным током с напряжением 1,4В-1,6В на одну ячейку. Разряженным никель-металл-гидридный аккумулятор считается при достижении напряжения 0,9В. В дальнейшем разряд характеризуется как вредный. При полноценной зарядке таких аккумуляторов начинается их сильный нагрев из-за того, что выделяемая энергия не расходуется на процесс заряда. Благодаря использованию специального температурного датчика осуществляется контроль заряда. Допустимый показатель температуры при этом не должен превышать 60 градусов по Цельсию. 

Никель-цинковый аккумулятор 

Номинальный показатель напряжения такого типа аккумулятора – 1,6В, ток – 0,25С. Специально предназначенное для таких аккумуляторов зарядное устройство способно за 12 часов осуществить 100%-ую зарядку. Кроме того, никель-цинковые батареи не имеют эффекта памяти. При этом заряжать аккумулятор нужно до 90%. Такая особенность позволяет увеличить число рабочих циклов и продлить период службы. Допустимая температура нагрева – 40 градусов по Цельсию. 

Литий-ионный аккумулятор 

Постоянный ток заряда таких аккумуляторов равняется 0,2-1С с напряжением 4-4,2В. При таких показателях заряд происходит в течение 40 минут. По истечении этого времени аккумулятор заряжают при напряжении 4,2В. При заряде током 1С 100%-ая зарядка достигается за два-три часа. При выходе напряжения за обозначенные границы (более 4,2В) потенциальные свойства батареи существенно сокращаются. Важно знать, что литий-ионные батареи ни в коем случае нельзя подвергать перезаряду, поскольку это чревато скоплением на отрицательном электроде металлического лития. На аноде, кстати, осуществляется активное выделение кислорода. В результате всего этого возникает высокая вероятность теплового разгона, роста давления в корпусе и, как следствие, разгерметизация. Наиболее целесообразным и с наименьшими рисками опасности является подзарядка, напряжение которой не превышает рекомендованное. 

Современные модели ЛИ-аккумуляторов имеют схемы защиты, предназначенные для предотвращения перезаряда. Данная защита приходит в действие при достижении температуры до 900. Существуют модели, которые оснащены встроенным механическим выключателем, который реагирует на рост давления в корпусе. Но даже современные способы безопасности не умоляют возникновения чрезвычайных ситуаций. Именно поэтому к процессу зарядки стоит относиться очень осторожно. Химические источники постоянного тока сегодня используются повсеместно. С некоторыми из видов аккумуляторов Вы, безусловно, сталкивались и имеете о них какое-то представление. При этом, какой бы информацией Вы не владели, всегда стоит вопрос о правильной подзарядке того или иного типа аккумулятора. Ведь при неправильном совершении заряда срок службы и качество работы могут существенно снизиться.

Торговая сеть «Планета Электрика» имеет в своем ассортименте широкий выбор аккумуляторов и батареек.

Быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов при любых температурах

Значимость

Беспокойство о запасе хода является ключевой причиной того, что потребители неохотно выбирают электромобили. Чтобы быть действительно конкурентоспособными с бензиновыми автомобилями, электромобили должны позволять водителям быстро перезаряжаться в любом месте в любую погоду, например, заправлять бензиновые автомобили. Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких или даже низких температурах из-за риска лития, образования металлического лития, что резко сокращает срок службы батареи и даже создает угрозу безопасности.Здесь мы представляем подход, который обеспечивает быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов за 15 минут при любых температурах (даже при -50 ° C), сохраняя при этом значительный срок службы (4500 циклов, что эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль электромобиля). срок службы), что делает электромобили действительно независимыми от погодных условий.

Аннотация

Быстрая зарядка является ключевым фактором массового внедрения электромобилей (EV). Ни один из современных электромобилей не выдерживает быстрой зарядки при низких или даже низких температурах из-за риска литиевого покрытия.Попытки включить быструю зарядку затрудняются из-за компромиссного характера литий-ионной батареи: улучшение возможности быстрой низкотемпературной зарядки обычно идет в ущерб долговечности элементов. Здесь мы представляем управляемую структуру ячеек, которая устраняет этот компромисс и обеспечивает быструю зарядку без литиевого покрытия (LPF). Кроме того, элемент LPF дает начало единой практике зарядки независимо от температуры окружающей среды, предлагая платформу для разработки материалов для аккумуляторов без температурных ограничений.Мы демонстрируем элемент LPF 9,5 А · ч 170 Вт · ч / кг, который можно зарядить до 80% за 15 минут даже при -50 ° C (за пределами рабочего предела элемента). Кроме того, элемент LPF выдерживает 4500 циклов зарядки 3,5 ° C при 0 ° C с потерей емкости <20%, что в 90 раз увеличивает срок службы по сравнению с обычным элементом базовой линии и эквивалентен> 12 лет и> 280000 миль. Срок службы электромобиля в таких экстремальных условиях использования, т. Е. 3,5 ° C или 15-минутная быстрая зарядка при отрицательных температурах.

Электромобили (электромобили) имеют большие перспективы в решении проблем изменения климата и энергетической безопасности (1).Автопроизводители выстраиваются в очередь, чтобы наводнить рынок серией новых электромобилей. Несмотря на быстрое падение стоимости литий-ионных аккумуляторов (LiB) на 80% за последние 7 лет (2), рынок электромобилей по-прежнему составляет лишь около 1% годовых продаж легковых автомобилей. Беспокойство о запасе хода, страх того, что у электромобиля может закончиться заряд во время поездки с водителем, который остался в затруднительном положении, долгое время упоминался как основная причина, по которой потребители неохотно выбирают электромобили. Это беспокойство усугубляется тем фактом, что подзарядка электромобилей обычно занимает гораздо больше времени, чем заправка автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ICEV).Исследования показали, что годовой пробег электромобиля увеличился более чем на 25% в районах, где водители имеют доступ к станциям быстрой зарядки, даже в тех случаях, когда быстрая зарядка использовалась для от 1 до 5% от общего числа случаев зарядки (3).

По всему миру идет захватывающая гонка за увеличение количества и мощности станций быстрой зарядки. BMW, Daimler, Ford и Volkswagen в прошлом году создали совместное предприятие (4), чтобы к 2020 году развернуть 400 «сверхбыстрых» зарядных станций по всей Европе с мощностью зарядки до 350 кВт, что позволяет заряжать электромобиль с пробегом 200 миль. (е.г., Chevy Bolt с батареей на 60 кВтч) за ∼10 мин. Honda также объявила о планах по выпуску электромобилей, способных к 15-минутной быстрой зарядке к 2022 году. Совсем недавно Министерство энергетики США объявило о финансировании проектов по разработке технологий сверхбыстрой зарядки (5) с целью дальнейшего увеличения мощности зарядки до 400 кВт.

Критическим препятствием для быстрой зарядки является температура. Чтобы быть действительно конкурентоспособными с ICEV, быстрая зарядка электромобилей не должна зависеть от региона и погодных условий, так же, как заправка бензинового автомобиля.Зимой на половине территории США средняя температура ниже 0 ° C, как показано на рис. 1 A (6). Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких температурах. Nissan Leaf, например, можно зарядить до 80% за 30 минут (заряд ~ 2 ° C) при комнатной температуре, но потребуется> 90 минут (заряд + . В суровых условиях большая поляризация анода может подтолкнуть потенциал графита ниже порога для литиевого покрытия (8, 9).

Рис. 1.

LPF Быстрая зарядка независимо от температуры окружающей среды. ( A ) Средняя зимняя температура в США. Половина из них <0 ° C, а 47 состояний <10 ° C. ( B ) Литературные данные о сроке службы при различных температурах, нормированные на срок службы при 25 ° C. Элемент LPF позволяет сместить парадигму от экспоненциальной линии обычных литий-ионных элементов к верхней горизонтальной линии.( C — E ) Схематическое изображение структуры управляемого элемента для быстрой зарядки LPF. Ячейка ( C, ) первоначально при температуре замерзания ( D ) проходит этап быстрого внутреннего нагрева, чтобы поднять ее температуру выше порогового значения (T _LPF ), которое исключает нанесение литиевого покрытия до того, как ( E ) станет заряжено. Используется самонагревающаяся конструкция батареи, которая имеет тонкую никелевую фольгу внутри элемента (подробности см. В приложении SI , рис. S4).Эта структура ячейки позволяет интеллектуально управлять разделением тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры ячейки (ячейка T _, ). ( D ) Если ячейка T LPF , переключатель замыкается, чтобы направить весь ток в никелевую фольгу для быстрого нагрева (~ 1 ° C / с) без проникновения в материалы анода (без покрытия). ( E ) Когда элемент T > T _LPF , переключатель размыкается, и весь ток уходит в электродные материалы для быстрой зарядки без литиевого покрытия.

Основным признаком литиевого покрытия является резкая потеря емкости в дополнение к угрозам безопасности. Действительно, недавние данные показали, что срок службы LiB значительно снижается с температурой. Коммерческий 16-Ач графит / LiNi _1/3 Mn _1/3 Co _1/3 O ₂ ячейки в европейском проекте Mat4Bat потеряли 75% емкости за 50 циклов с зарядкой 1 ° C при 5 ° C. (10), хотя одни и те же клетки могут выдержать 4000 циклов при 25 ° C. Schimpe et al. (11) циклически повторяли идентичные элементы графит / LiFePO ₄ при разных температурах.Ячейки при 25 ° C потеряли 8% емкости за 2800 эквивалентных полных циклов (EFC). При такой же потере емкости срок службы элементов сокращается до 1800 EFC при 15 ° C, 1400 EFC при 10 ° C и 350 EFC при 0 ° C. На рис. 1 B обобщены некоторые недавние данные (11⇓⇓⇓ – 15) в литературе о сроке службы при различных температурах, нормированные на соответствующий срок службы при 25 ° C. Можно отметить явное экспоненциальное падение жизненного цикла с температурой в соответствии с законом Аррениуса, предложенным Waldmann et al. (12). Даже при низкой температуре 10 ° C срок службы элементов составляет лишь половину от срока службы при 25 ° C.Стоит отметить, что в 47 из 50 штатов США зимой средняя температура ниже 10 ° C (рис. 1 A ). Даже при ежегодном усреднении ( SI Приложение , рис. S1) 23 состояния имеют температуру ниже 10 ° C. Таким образом, даже когда станции быстрой зарядки становятся повсеместными, потребители все еще не могут быстро заправлять свои электромобили в течение большей части года из-за низких температур окружающей среды.

По сути, на литиевое покрытие влияют скорость ионной проводимости и диффузии в электролите, диффузия лития в частицах графита и кинетика реакции на графитовых поверхностях.Все ключевые параметры, управляющие этими процессами, подчиняются закону Аррениуса и существенно падают с температурой ( SI Приложение , рис. S2). Таким образом, подключаемый гибридный элемент EV (PHEV), который может выдерживать заряд 4 ° C без литиевого покрытия при 25 ° C, может допускать заряд только 1,5 ° C при 10 ° C и C / 1,5 при 0 ° C для предотвращения литиевое покрытие ( SI, приложение , рис. S3), которое объясняет длительное время перезарядки современных электромобилей при низких температурах. Для повышения способности к быстрой зарядке исследования в литературе были сосредоточены на улучшении анодных материалов, таких как покрытие графита нанослоем аморфного кремния (16, 17), и разработке новых материалов, таких как титанат лития (18, 19) и графеновые шары (20), и по разработке новых электролитов (21, 22) и добавок (23).LiBs, однако, хорошо известны своей компромиссной природой между ключевыми параметрами (24). Улучшение одного свойства без ущерба для другого всегда нетривиально. Например, электролит с превосходными характеристиками при низких температурах довольно часто нестабилен при высоких температурах (23, 24). Точно так же уменьшение размера частиц и / или увеличение площади поверхности активных материалов Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) способствует быстрой зарядке, но при этом страдает срок службы батареи и безопасность. Чрезвычайно сложно, если вообще возможно, разработать материалы с высокой скоростью зарядки, сохраняя при этом долговечность и безопасность в широком диапазоне температур.

Здесь мы делаем попытку освободить науку об аккумуляторах от компромиссов. В частности, мы представляем структуру ячеек, которой можно активно управлять для достижения быстрой зарядки без литиевого покрытия (LPF) при любых температурах окружающей среды, что позволяет изменить парадигму соотношения между сроком службы и температурой (рис. 1 B ), с корреляция Аррениуса обычных LiB с горизонтальной линией, нечувствительной к температуре. Мы выбрали пакетные ячейки емкостью 9,5 Ач с графитовым анодом, LiNi _0.6 Mn _0,2 Co _0,2 O ₂ (NMC622) катод и плотность энергии на уровне ячейки 170 Втч / кг для демонстрации. Благодаря структуре ячеек LPF, элемент выдержал 4500 циклов (2806 EFC) зарядки 3,5-C при 0 ° C до достижения 20% потери емкости, что означает, что даже если электромобиль заряжается один раз в день в таких суровых условиях, Элемент LPF имеет срок службы 12,5 лет и может обеспечить дальность действия> 280 000 миль (при условии, что 1 EFC ≈ 100 миль). Это уже выходит за рамки гарантии большинства ICEV.Для сравнения, обычный LiB-элемент с идентичными материалами батареи в тех же условиях тестирования (заряд 3,5 ° C при 0 ° C) потерял 20% емкости всего за 50 циклов и 23 EFC.

Кроме того, в этой работе подчеркивается концепция унифицированной практики зарядки, независимой от температуры окружающей среды. Для электромобилей профили разряда батареи зависят от поведения водителей, но протоколы зарядки определяются производителями. Сегодняшние электромобили должны снижать скорость зарядки при понижении температуры из-за опасений по поводу литиевого покрытия.С помощью элемента LPF зарядка при любой температуре окружающей среды превращается в зарядку при оптимальной температуре всего за десятки секунд. Как показано здесь, элемент LPF может быть заряжен до 80% состояния заряда (SOC) за 15 минут даже при температуре окружающей среды -50 ° C. Более того, кривая зарядного напряжения при -50 ° C почти такая же, как и при 25 ° C. Эта унифицированная практика зарядки может значительно упростить управление аккумулятором и продлить срок его службы.

Кроме того, ячейка LPF предлагает платформу для материаловедов.Постоянной проблемой при исследовании материалов для аккумуляторов является поиск материалов, которые могут поддерживать хорошие характеристики в широком диапазоне температур. Поскольку температурные ограничения снимаются с ячейками LPF, исследователям нужно только оптимизировать характеристики материала около одной температуры.

Результаты и обсуждение

Контролируемая структура ячеек для быстрой зарядки LPF.

Ключевая идея быстрой зарядки LPF состоит в том, чтобы заряжать элемент всегда выше температуры, которая может препятствовать образованию литиевого покрытия, далее именуемой температурой LPF (T _LPF ).Как показано на рис. 1 C — E , этап быстрого внутреннего нагрева (рис. 1 D ) добавляется перед этапом зарядки (рис. 1 E ), чтобы гарантировать, что аккумулятор заряжен при температура выше T _LPF .

Быстрый нагрев необходим для быстрой зарядки LPF, так как общее время зарядки, включая нагрев, ограничено от 10 до 15 минут. Обычные методы нагрева батареи с использованием внешних нагревательных устройств или систем управления температурой ограничены внутренним конфликтом между скоростью нагрева и однородностью (т.е., высокая скорость нагрева приводит к неоднородной температуре и локализованному перегреву вблизи поверхности ячейки), как подробно описано в ссылке. 25; таким образом, их скорость нагрева ограничена ~ 1 ° C / мин (26), что означает, что нагрев от -20 ° C до 20 ° C уже займет> 40 мин. Добавляя время на зарядку, он уже не в категории быстрой зарядки. В этой работе мы используем самонагревающуюся структуру LiB (27), которая имеет тонкую никелевую (Ni) фольгу, встроенную в ячейку, которая может создавать огромный и равномерный нагрев, как показано в приложении SI , рис.S4. Фольга Ni является неотъемлемым компонентом отдельной ячейки вместе с электродами и электролитом. Он служит внутренним нагревательным элементом, а также внутренним датчиком температуры, поскольку его электрическое сопротивление изменяется линейно с температурой ( SI, приложение , рис. S5). Кроме того, введение никелевой фольги добавляет только 0,5% веса и 0,04% стоимости по сравнению с обычным одиночным элементом LiB.

Стратегия управления, основанная на структуре самонагревающейся батареи, разработана в этой работе, как показано на рис.1 С — Е . Ключом к этой стратегии является интеллектуальное разделение входного тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры элемента (T _{, ячейка} ). Если T _{элемент} LPF (Рис. 1 D ), постоянное напряжение, близкое к напряжению холостого хода элемента (OCV), применяется вместе с замыканием переключателя между положительной клеммой и клеммой активации. Поскольку напряжение элемента ≈ OCV, весь ток от источника заряда направляется к никелевой фольге, чтобы генерировать огромное внутреннее тепло, не проникая в материалы анода (без литиевого покрытия).Как только T _cell > T _LPF (Рис. 1 E ), переключатель открывается для перехода из режима нагрева в режим зарядки, при этом ток подается на материалы электродов без какого-либо риска образования литиевого покрытия.

Мы выбираем 9,5-Ач графитовые ячейки / пакет NMC622 для демонстрации быстрой зарядки LPF. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см ² и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Выбор скорости заряда и T _LPF основан на результатах моделирования потенциала осаждения Li (LDP) в приложении SI , рис.S3 с использованием откалиброванной модели LiB. В общем, T _LPF должна иметь минимальную температуру, при которой можно избежать литиевого покрытия при данной скорости заряда. Хотя более высокая температура всегда способствует устранению литиевого покрытия, она также может ускорить рост межфазной границы твердого электролита (SEI). В этой работе скорость заряда 3,5 C и T _LPF ∼25 ° C выбраны на основе SI Приложение , рис. S3 C .

На рис.2 показан общий процесс быстрой зарядки LPF 9.Элемент емкостью 5 Ач при экстремальной температуре −40 ° C. Перед испытанием полностью разряженный элемент выдерживали в климатической камере при -40 ° C на> 12 часов. Чтобы гарантировать, что элемент не был заряжен (без литиевого покрытия) на этапе нагрева, при включении переключателя было приложено напряжение 3,15 В, что немного ниже, чем OCV (∼3,2 В) (см. Рис. 1 D ). ). Таким образом, весь входной ток проходил через никелевые фольги (рис. 2 E ) автоматически, не затрагивая материалы батареи.Поскольку напряжение ячейки было установлено на 50 мВ ниже, чем OCV, ячейка слегка разряжалась на этапе нагрева, которая постепенно увеличивалась до ~ 0,2 ° C к концу, когда ячейка стала нагреваться (рис. 2 F ). Тем не менее, общая разрядная емкость во время этапа нагрева составляет только 6,85 × 10 ^-3 Ач или 0,072% емкости элемента и, следовательно, несущественна. Благодаря сильному току, протекающему через Ni-фольгу, ячейка быстро нагревается (рис. 2 C ).Когда температура поверхности достигала 20 ° C, выключатель открывался для завершения этапа нагрева, а затем ячейка отдыхала 10 с для релаксации внутреннего температурного градиента. Как показано на рис. 2 G , температура Ni-фольги, самая высокая температура внутри ячейки, составляла <45 ° C во время нагрева и быстро падала и достигала температуры поверхности около 27 ° C после 10-секундного периода покоя. Это означает, что быстрый нагрев не вызывает никаких опасений по поводу безопасности. После этого ячейка переключилась в режим заряда с использованием протокола постоянного тока постоянного напряжения (CCCV) при токе 3.5 C ограничено напряжением отсечки 4,2 В до достижения 80% SOC. Весь процесс занял 894,8 с (14,9 мин), включая 61,6 с нагрева и 10 с термической релаксации.

Рис. 2.

Быстрая 15-минутная зарядка при −40 ° C. ( A — D ) Эволюция ( A ) напряжения элемента, ( B ) разделение тока между никелевой (Ni) фольгой и элементом, ( C ) температура поверхности и ( D ) SOC . Первоначально ячейка была при 0% SOC и -40 ° C, с OCV ~ 3.2 В. Весь процесс зарядки был разделен на этап быстрого внутреннего нагрева, за которым следовала 10-секундная пауза, а затем зарядка CCCV (3,5 ° C, 4,2 В) до достижения 80% SOC. ( E и F ) Интеллектуальное управление разделением тока между никелевой фольгой и материалами электродов в процессе нагрева. ( E ) Весь входной ток проходит в никелевые фольги, а ( F ) незначительный ток проходит в материалы анода (без покрытия) на этапе нагрева. ( G ) Эволюция температуры поверхности и фольги Ni во время стадий нагрева и релаксации.

Для сравнения идентичную базовую ячейку заряжали без этапа быстрого нагрева с использованием того же протокола CCCV при -40 ° C ( SI, приложение , рис. S6). Из-за чрезвычайно медленной электрохимической кинетики и транспорта электролита и, следовательно, высокого внутреннего сопротивления, напряжение элемента достигло предела 4,2 В сразу после зарядки ( SI Приложение , рис. S6 A ), а пусковой ток составлял всего ∼0,2 C. ( SI Приложение , рис. S6 B ).Зарядный ток медленно восстанавливался при вялом повышении температуры ( SI, приложение , рис. S6, C ) из-за ограниченной скорости тепловыделения. Максимальный зарядный ток составлял всего 0,85 C, и потребовалось 115 минут для достижения 80% SOC, что в 7,7 раза больше, чем у элемента LPF.

В общем, при очень низких температурах можно разработать батарею, которая разряжает разумный процент емкости; однако зарядить аккумулятор с разумной скоростью практически невозможно.Это происходит из-за асимметричной электрохимической кинетики зарядки по сравнению с разрядкой, преобладающей в электрохимии. С другой стороны, приложения обычно требуют более высокой скорости зарядки для экономии времени. Представленный здесь способ нагрева-заряда с помощью самонагревающейся конструкции батареи позволяет разделить процессы заряда и разряда за счет быстрой модуляции внутренней температуры; таким образом, он способен преодолевать более слабую электрохимическую кинетику зарядки, чем разряд, для широкого набора электрохимических ячеек накопления энергии.

Унифицированная кривая зарядки независимо от температуры окружающей среды.

На рис. 3 сравнивается зарядка элемента LPF на 9,5 Ач при различных температурах окружающей среды (−50 ° C, −40 ° C, −20 ° C и 0 ° C). Протокол испытаний был одинаковым для всех случаев: ( и ) полная разрядка при 25 ° C, а затем охлаждение до температуры испытания; ( ii ) быстрое нагревание путем приложения постоянного напряжения 3,15 В до тех пор, пока температура поверхности не станет> 20 ° C; ( iii ) 10-секундное расслабление; и ( iv ) зарядка CCCV (3.5 C, 4,2 В) до 80% SOC. Видно, что кривые напряжения практически одинаковы во всех случаях, несмотря на огромную разницу в температуре окружающей среды (рис. 3 A ). Нагрев ячейки с -50 до 20 ° C (∼1 ° C / с) занял 69 с, а от 0 ° C до 20 ° C (0,66 ° C / с) — 30,2 с. Более быстрый нагрев при более низкой температуре окружающей среды выиграл от снижения сопротивления никелевой фольги с повышением температуры ( SI, приложение , рис. S5), что привело к более высокому току нагрева при более низкой температуре (рис. 3 C ).Даже в случае -50 ° C этап нагрева составлял только 7,6% времени всего процесса. Общее время зарядки элемента до 80% SOC было одинаковым во всех четырех случаях (рис. 3 B , 905,7 с при –50 ° C и 863,2 с при 0 ° C, разница ∼5%). Таким образом, жесткие ограничения температуры окружающей среды на время зарядки, как и во всех современных электромобилях, полностью снимаются с помощью элемента LPF.

Рис. 3.

Единая практика зарядки независимо от температуры окружающей среды. ( A ) Кривые напряжения элемента LPF при различных температурах окружающей среды.Во всех тестах элемент прошел этап быстрого нагрева при 3,15 В до достижения температуры поверхности> 20 ° C, выдерживался в течение 10 с, а затем заряжался постоянным током 3,5 ° C с последующим постоянным напряжением 4,2 В. до достижения 80% SOC. ( B ) Сводка времени нагрева и общего времени, демонстрирующая, что ограничения температуры окружающей среды на время зарядки устранены. ( C и D ) Эволюция ( C ) тока через никелевую фольгу и ( D ) температуры поверхности ячейки на этапе быстрого нагрева.

Температура поверхности и фольги Ni достигла ∼27 ° C после 10-секундной термической релаксации ( SI Приложение , рис. S7) во всех четырех случаях, что указывает на то, что начальная точка зарядки аналогична. Таким образом, кривые напряжения при последующей зарядке CCCV были очень похожими ( SI, приложение , рис. S8, A ). Немного более высокое напряжение при более низкой температуре окружающей среды было приписано большему перепаду температуры во время зарядки ( SI Приложение , рис. S8, B ) из-за сильного охлаждения в климатической камере.При улучшении теплоизоляции и управления можно ожидать, что кривая зарядки станет унифицированной и независимой от температуры окружающей среды. Унифицированная кривая заряда может значительно упростить систему управления батареями и повысить точность оценки состояния батареи (SOC, состояние здоровья и т. Д.) И, следовательно, чрезвычайно полезна для электромобилей.

Следует отметить, что современные электромобили, в принципе, также могут быть нагреты до> T _LPF перед зарядкой, используя системы терморегулирования вне отдельных элементов; однако изначально низкая скорость внешнего нагрева (<1 ° C / мин) не позволяет решить проблему быстрой зарядки.Кроме того, поскольку автомобильные элементы становятся все больше и толще для снижения стоимости производства, скорость внешнего нагрева должна быть дополнительно снижена, чтобы избежать локального перегрева на поверхности элемента (25). Наш метод вставки никелевой фольги обеспечивает быстрый и равномерный внутренний нагрев независимо от размера ячейки (равномерность нагрева может быть гарантирована добавлением нескольких никелевых фольг). Этот метод также может быть применен к ячейкам другой геометрии. Например, фольга Ni может образовывать оболочку, обернутую вокруг первой половины цилиндрического рулона с желе перед намоткой второй половины, таким образом размещая ее прямо в середине рулона с желе для цилиндрической ячейки.Несколько примеров конструкций из никелевой фольги для различных типов и форм-факторов ячеек можно найти в ссылке. 28. Кроме того, поток тока внутри элемента между нагревательным элементом и материалом батареи активно регулируется, обеспечивая плавное переключение между режимом быстрого нагрева и режимом зарядки в зависимости от температуры элемента. Даже в крайнем случае -50 ° C, когда электролит уже перестает работать, элемент LPF все еще заряжается до 80% SOC за 15 минут, как и при комнатной температуре, что еще раз демонстрирует свой потенциал сделать электромобили по-настоящему региональными и погодными. -независимый.

Замечательный срок службы за счет отсутствия литиевого покрытия.

Мы также демонстрируем устранение литиевого покрытия в элементе LPF. Зарядка ячейки LPF при 0 ° C сравнивается с двумя стандартными ячейками базовой линии с идентичными материалами и электродами, которые были заряжены по тому же протоколу CCCV (3,5 C, 4,2 В) до 80% SOC без этапа нагрева. Одна базовая ячейка была протестирована при 0 ° C, а другая — при 25 ° C. Как показано на Рис.4 A , кривая напряжения ячейки LPF при 0 ° C после этапа быстрого нагрева почти перекрывалась с кривой напряжения базовой ячейки при 25 ° C, с очень небольшой разницей из-за разницы в температуре. (Рис.4 В ). Однако базовая ячейка при 0 ° C имеет гораздо более высокое напряжение, чем две другие ячейки из-за ее высокого внутреннего сопротивления. Все три ячейки были оставлены в разомкнутой цепи после зарядки до 80% SOC, и кривые напряжения во время релаксации сравниваются на рис. 4 C . Четкое плато напряжения наблюдается на кривой релаксации базовой ячейки при 0 ° C, что приводит к локальному пику на кривой дифференциального напряжения (рис. 4 D ). Плато напряжения и пик дифференциального напряжения указывают на появление металлического лития, и, таким образом, являются четким доказательством того, что покрытие литием произошло в 3.5-C зарядка базового элемента при 0 ° C. В двух других случаях напряжение элемента быстро падает до относительно стабильного значения, что указывает на отсутствие литиевого покрытия во время зарядки.

Рис. 4.

Замечательный срок службы элемента LPF. Сравнение базовых ячеек при 0 ° C и 25 ° C с ячейкой LPF при 0 ° C с точки зрения напряжения ( A, ) и температуры поверхности ( B ) во время зарядки и ( C, ) напряжения и ( D ) производная напряжения во время релаксации ячейки после зарядки по времени.Все элементы были заряжены током 3,5 ° C, ограниченным 4,2 В, до достижения 80% SOC. Плато напряжения в C и локальный пик дифференциального напряжения в D базовой ячейки при 0 ° C указывают на удаление металлического лития. ( E ) Сохранение емкости в зависимости от количества циклов для элемента LPF и цикла базовой ячейки с зарядкой 3,5 ° C при температуре окружающей среды 0 ° C.

Отсутствие литиевого покрытия значительно увеличило срок службы при низких температурах. Велоспорт-тесты проводились с 3.Зарядка 5-C до 4,2 В с последующим 2-минутным перерывом и затем разряд 1-C до 2,7 В. Для элемента LPF этап быстрого нагрева при постоянном напряжении 3,4 В выполнялся в начале каждого цикла и завершался. при T _ячейка > 20 ° C с последующей 10-секундной релаксацией. Ячейки полностью охлаждались до 0 ° C после этапа разряда перед началом следующего цикла. Изменения напряжения и температуры во время цикла приведены в приложении SI , рис. S9 (один цикл) и в приложении SI , рис.S10 (10 циклов). Пропускная способность каждого цикла указана в приложении SI , рис. S11. Циклические испытания периодически приостанавливались для калибровки емкости элемента с эталонным тестом производительности (RPT) при 25 ° C ( SI, приложение , рис. S12). Измеренная разрядная емкость C / 3 в RPT была нанесена на график зависимости от номера цикла на рис. 4 E как для базовой линии, так и для ячеек LPF. Базовая ячейка потеряла 20% емкости всего за 50 циклов, тогда как ячейка LPF выдержала 4500 циклов при том же сохранении емкости, что составляет 90-кратное увеличение срока службы.Даже если водители электромобилей выполняют быструю зарядку один раз в день, 4500 циклов означают 12,5 года работы. При преобразовании в EFC (т. Е. Общая емкость, разряженная во время цикла, деленная на номинальную емкость 9,5 Ач), было получено 2806 EFC при сохранении емкости 80%, что в 122 раза больше по сравнению с базовой ячейкой (23 EFC). Предполагая 100-мильный запас хода на EFC (например, BMW i3), 2806 EFC указывают на срок службы> 280 000 миль, что намного превышает гарантии современных ICEV.

Две вышеуказанные ячейки на рис.4 E далее сравнивают с дополнительными базовыми клетками, один цикл подвергался 10 ° C, а другой — 22 ° C. Эти два базовых элемента изначально были при 20% SOC и заряжались и разряжались фиксированным объемом, равным 60% SOC свежего элемента в каждом цикле, с CCCV (3 C, 4,2 В) зарядом и 1-C разрядом. Поскольку протоколы циклирования несколько отличаются, сохранение емкости этих ячеек отображается в зависимости от EFC на рис. 5 A . Отметим, что элемент с зарядкой 3-C при 10 ° C продержался всего 317 EFC при сохранении 80% емкости.Более того, элемент LPF при 0 ° C имеет даже более длительный срок службы, чем элемент базового уровня при 22 ° C. Причина двоякая. Во-первых, поскольку литиевое покрытие исключается, доминирующим механизмом старения является рост SEI, который зависит в первую очередь от температуры. Как показано в Приложении SI , рис. S10 B , разрядная и охлаждающая части элемента LPF были ниже 22 ° C. Средняя температура ячейки LPF в 10 циклах, показанных в SI Приложение , рис. S10 B , составляет 11,6 ° C, что намного ниже средней температуры базовой ячейки (~ 28 ° C).Таким образом, рост SEI в клетке LPF в целом был медленнее, чем в базовой клетке. Во-вторых, базовая ячейка заряжалась на фиксированную величину емкости в каждом цикле, которая равнялась 60% SOC свежей ячейки, но становилась больше, чем 60% SOC по мере разрушения ячейки. Таким образом, базовый элемент был заряжен до более высокого SOC, чем элемент LPF (заряжен до 4,2 В, без ступени постоянного напряжения) на поздней стадии цикла. Более высокий SOC также приведет к более быстрому росту SEI.

Рис. 5.

Смена парадигмы влияния температуры окружающей среды на старение клеток.( A ) Сравнение срока службы элемента LPF при зарядке 3,5 ° C при 0 ° C с одинаковыми базовыми элементами при разных температурах. ( B ) Скорость старения в зависимости от обратной температуры четырех ячеек в A . Скорость старения определяется как отношение потери мощности (в процентах) к EFC в конце срока службы и отображается в логарифмической шкале. ( C ) Скорость старения HE ячеек следующего поколения (с толстым электродом) в литературе. Оптимальная температура зарядки HE EV ячеек сдвигается с ∼25 ° C для существующих PHEV ячеек до ∼40 ° C до 50 ° C.

Рис. 5 B дополнительно сравнивает скорость старения в вышеупомянутых четырех случаях, которая определяется как отношение потери емкости (в процентах) к EFC в конце срока службы и отображается в логарифмической шкале в зависимости от обратной температуры. Для базовых ячеек логарифм скорости старения в зависимости от 1 / T может быть описан линейной линией, подтверждающей, что скорость старения обычных LiBs следует закону Аррениуса (12). Энергия активации оценивается в -1,37 эВ, что находится в пределах диапазона, указанного в литературе (29).Мы отмечаем, что скорость старения ячейки LPF при 0 ° C была снижена на два порядка по сравнению с базовой стандартной ячейкой и стала близкой к скорости старения базовой ячейки при комнатной температуре, что указывает на сдвиг парадигмы в соотношении между скорость старения и температура окружающей среды.

LPF Быстрая зарядка высокоэнергетических элементов при повышенной температуре.

Для будущих электромобилей дальнего действия требуется плотность энергии на уровне системы не менее 225 Втч / кг, что требует плотности энергии на уровне элементов> 300 Втч / кг (30).Типичный подход к увеличению плотности энергии на уровне ячейки — увеличение площади поверхности (и толщины) электродов. Однако элементы с более толстыми анодами более склонны к нанесению литиевого покрытия из-за большего сопротивления переносу электролита. Недавняя работа (30) показала, что ячейка-пакет из графита / NMC622 с поверхностной нагрузкой 3,3 мАч / см ² , ∼1,8 × ячейки PHEV в этой работе, потеряла 22,5% емкости за 52 цикла заряда 1,5-C при 30 ° С. После демонтажа старого элемента было обнаружено большое количество металлического лития, что указывает на то, что покрытие литием может быть серьезной проблемой в элементах с высокой энергией (HE) даже при комнатной температуре.

Возможный подход к устранению литиевого покрытия в элементах HE заключается в дальнейшем повышении температуры зарядки. Как показано в приложении SI , рис. S2, увеличение от 25 ° C до 45 ° C увеличивает кинетику интеркаляции лития на 5,6 раза, коэффициент диффузии лития в графите на 2,4 раза и проводимость электролита на 1,4 раза, и, следовательно, может способствовать снижению содержания лития покрытие. SI Приложение , рис. S13 показывает прогнозируемый моделью LDP ячейки HE, имеющей 1,65-кратную емкость площади и толщину ячейки PHEV в этой работе.Следует отметить, что максимальный ток заряда при 25 ° C без литиевого покрытия падает с 4 C для элемента PHEV ( SI, приложение , рис. S3, C ) до ∼1,5 C для элемента HE ( SI, приложение , рис. .S13 A ) из-за увеличенной толщины электрода. Если заряжать элемент при 45 ° C, максимальная скорость заряда HE-элемента может быть увеличена до 3 C. Действительно, недавние исследования показали, что элементы с толстыми электродами имеют более длительный срок службы при 40-45 ° C, чем при температуре от 40 ° C до 45 ° C. комнатная температура.Группа Йоссена (31) сообщила, что ячейка графит / LiCoO ₂ с анодом толщиной 77 мкм (1,6 × настоящей работы) потеряла 30% емкости за 250 циклов с зарядкой 1 ° C при 25 ° C, но потеряла только Емкость 5% после 400 циклов при 40 ° C. Аналогичным образом группа Винтера (32) обнаружила, что срок службы элемента из графита / NMC532 с анодом толщиной 77 мкм увеличился с 400 циклов при 20 ° C до 1100 циклов при 45 ° C при сохранении емкости 70%. Совсем недавно исследователи из Samsung (20) разработали элемент HE с возможностью зарядки 5 ° C при 60 ° C.

Рис. 5 C сравнивает скорость старения вышеупомянутых клеток HE с клетками PHEV в этой работе. Также добавляется скорость старения ячейки PHEV при 45 ° C. Как сообщается в литературе (33), старение клеток является комбинированным эффектом роста SEI и литиевого покрытия. Для элемента PHEV 25 ° C достаточно высока, чтобы предотвратить образование лития при скорости заряда 3,5 C ( SI, приложение , рис. S3). Дальнейшее повышение температуры до 45 ° C уменьшило срок службы до 613 EFC при сохранении емкости 80% из-за более быстрого роста SEI.Для клеток HE, однако, полезно работать при температуре от ~ 40 ° C до 45 ° C из-за уменьшения литиевого покрытия, которое превосходит негативные последствия более быстрого роста SEI. Следовательно, работа при более высоких температурах может быть многообещающим подходом для увеличения срока службы клеток HE. В этом отношении нагревание было бы важным шагом для зарядки элементов HE. Учитывая изначально низкую скорость внешнего нагрева, нынешний элемент LPF имеет большие перспективы для электромобилей следующего поколения, поскольку он может практически мгновенно модулировать внутреннюю температуру элемента по запросу.

В широком смысле научное достоинство описанного здесь элемента LPF заключается в том, что он предлагает общее решение для разделения кинетики заряда и разряда в науке об аккумуляторах и для ускорения зарядки аккумулятора без необходимости использования новых материалов или химии. Он также предлагает платформу для материаловедов для разработки более совершенных материалов для аккумуляторов без учета температуры. Что касается приложений, настоящая работа навсегда устраняет давние ограничения температуры окружающей среды на зарядку аккумулятора, позволяя использовать широкий спектр новой электроники и устройств, таких как всепогодные смартфоны, наружные роботы, дроны и микроспутники, работающие на больших высотах, а также новые приложения, такие как спасение машин, застрявших в снегу, и исследования в космосе и Арктике.

Методы и материалы

Пакеты для LPF емкостью 9,5 Ач были изготовлены с использованием NMC622 в качестве катода, графита в качестве анода и 1 M LiPF ₆ , растворенного в этиленкарбонате (EC) / этилметилкарбонате (EMC) (3: 7). по массе) + 2 мас.% виниленкарбоната (ВК) в качестве электролита. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см ² и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Каждая ячейка LPF имеет два куска никелевой фольги, встроенных внутрь, как показано в приложении SI , рис.S4. Каждая Ni-фольга толщиной 30 мкм и сопротивлением 80,2 мОм при 25 ° C покрыта тонким (28 мкм) полиэтилентерефталатом для электрической изоляции и зажата между двумя односторонними анодными слоями. Две трехслойные сборки уложены друг на друга внутри ячейки и соединены параллельно, причем одна сборка расположена на 1/4 толщины ячейки, а другая — на 3/4 толщины ячейки от верхней поверхности ячейки. Более подробную информацию о материалах, изготовлении, структуре и испытаниях ячеек можно найти в SI Приложение , Методы и материалы .

Благодарности

Финансовая поддержка Департамента охраны окружающей среды Пенсильвании; EC Power, LLC; и Министерство энергетики США присуждено награду DE-EE0006425. Мы также благодарны EC Power за предложение программного обеспечения AutoLion, которое было приобретено Gamma Technologies.

Сноски

• Вклад авторов: X.-G.Y., G.Z., and C.-Y.W. спланированное исследование; X.-G.Y., G.Z. и S.G. проводили исследования; X.-G.Y. и С.-Y.W. проанализированные данные; и X.-G.Y. и C.-Y.W. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1807115115/-/DCSupplemental.

Как хранить литиевые батареи — База знаний BatteryGuy.com

Литиевые батареи

требуют особого внимания, так как неправильное хранение может привести к перегреву устройств и потенциальному возгоранию в процессе, известном как тепловой разгон.Многие типы также имеют как отрицательные, так и положительные клеммы на одной стороне, что позволяет легко случайно замкнуть устройство на металлических полках, если они не закрыты.

Эта статья относится как к литиевым батареям (также называемым литиево-металлическими неперезаряжаемыми), так и к литиево-ионным батареям (перезаряжаемым).

Температура

• Идеальная температура для хранения — 50 ° F (10 ° C).

Чем выше температура, тем быстрее произойдет саморазряд аккумулятора, но это не проблема, пока поддерживается правильное состояние заряда (см. Ниже).Температура ниже нуля не повредит литиевые батареи, так как они не содержат воды, но их следует покупать до температуры выше нуля перед зарядкой или использованием, чтобы избежать повреждений.

Влажность

• Идеальная влажность при хранении составляет 50%

Основная проблема, связанная с влажностью, заключается в том, что между клеммами может образовываться конденсат, а в очень влажных условиях может возникнуть короткое замыкание, которое может привести к перегреву аккумулятора и даже возгоранию. В качестве дополнительной меры безопасности клеммы всегда должны иметь отдельные крышки.

Заряд

Все батареи постепенно саморазряжаются, даже когда они хранятся. Литий-ионный аккумулятор саморазрядится на 5% в первые 24 часа после зарядки, а затем на 1-2% в месяц. Если батарея оснащена схемой безопасности (а большинство из них), это будет способствовать дальнейшему саморазряду 3% в месяц.

Литиевые батареи

должны храниться при уровне заряда примерно 40-50%, чтобы они были готовы к немедленному использованию — это примерно 3,8 В на элемент — в то время как тесты показали, что если этот тип батареи остается полностью заряженным, восстанавливаемая емкость составляет уменьшается со временем.Напряжение каждой ячейки не должно опускаться ниже 2 вольт, так как в этот момент анод начинает растворяться, вызывая образование медных шунтов, что приведет к необратимой потере емкости. Точно так же батареи на основе лития могут быть повреждены из-за чрезмерной зарядки, которая вызывает разложение катода.

При проверке напряжения убедитесь, что аккумулятор недавно не заряжался и не разряжался, имел комнатную температуру и находился в среде без вибрации. Лучший способ сделать это — оставить батарею при комнатной температуре не менее полутора часов.

Диапазоны напряжения литий-ионных аккумуляторов (изображение с сайта Microchip Technology Inc)

Если литий-ионный аккумулятор сильно разряжен, попытаться восстановить его можно, выполнив следующие действия:

• непрерывный заряд (0,1C), пока напряжение элемента не достигнет 2,8 вольт. Если этого не происходит через час, аккумулятор, вероятно, невозможно восстановить.
• быстрая зарядка (1С), пока напряжение элемента не достигнет 4,2 вольт. Если этого не происходит по прошествии двух часов, возможно, аккумулятор годен, но его емкость ограничена.
• постоянный заряд до тех пор, пока ток заряда не упадет ниже 0,07 ° C

.

Срок годности

Следующее руководство основано на батареях, которые хранятся при нужной температуре, нужной влажности и в правильном состоянии заряда. В этих условиях стандартные литиевые батареи могут храниться до десяти лет. Батареи на основе лития для военных и медицинских целей могут иметь срок хранения до двадцати с лишним лет.

Как часто нужно заряжать аккумулятор своего гаджета, чтобы продлить срок его службы?

Уважаемый Lifehacker,
Как обстоят дела с литий-ионными аккумуляторами (такими, какие используются в смартфонах и ноутбуках)? Я слышал много разных вещей о том, как за ними ухаживать, например, что их нужно держать заряженными от 40% до 80%, или что они должны быть полностью осушены и заряжены до 100%.Каков идеальный подход к поддержанию хорошего соотношения времени работы от аккумулятора?

С уважением,
Befuddled About Batteries

Обновление: этот пост впервые появился на Lifehacker в январе 2012 года. Мы обновили его, включив в него потрясающее видео из Techquickie , приведенное ниже.

Dear Befuddled,
В связи с этим вопросом существует много путаницы, в основном из-за того, что литий-ионные батареи отличаются от старых, никелевых батарей (которые страдали от неприятного эффекта памяти, которого нет в литий-ионных батареях).Однако вы правы — неправильная зарядка может сократить срок их службы. Большинство литиевых батарей должно служить вам несколько лет, но неправильный уход может сократить срок их службы, а это означает, что ваша батарея не сможет удерживать заряд — или не сможет удерживать такой большой заряд, как раньше.

Итак, чтобы прояснить ситуацию, мы собрали несколько рекомендаций по максимальному продлению срока службы вашей батареи. Если вы больше разбираетесь в визуальном обучении, то в приведенном выше видео от Techquickie также обобщено большинство из них.Вот что вам следует сделать:

• Выполнить неглубокие разряды . Вместо того, чтобы постоянно разряжаться до 0%, литий-ионные аккумуляторы лучше всего работают, когда вы немного разряжаете их, а затем немного заряжаете. Приведенная ниже таблица из Battery University показывает, что разряды до 50% лучше для длительного срока службы вашей батареи, чем, скажем, небольшие разряды до 90% или большие разряды до 0% (поскольку разряды 50% обеспечивают наилучшее количество циклов. коэффициент использования).

G / O Media может получить комиссию

• Не оставляйте его полностью заряженным .Точно так же литий-ионные аккумуляторы не нужно заряжать полностью до 100%. Фактически, они предпочли бы не быть такими, поэтому правило 40% -80%, которое вы слышали, является хорошим ориентиром. По возможности держите его в этом диапазоне, чтобы продлить срок его службы как можно дольше. И, если вы зарядите его до 100%, не оставляйте его подключенным к . Это то, что делает большинство из нас, но это еще одна вещь, которая ухудшает здоровье вашей батареи. Если вам нужно зарядить его на ночь, воспользуйтесь чем-то вроде розетки Belkin Conserve, чтобы он не заряжался после полной зарядки.
• Полностью разряжайте его раз в месяц . Это может показаться противоречивым, но выслушайте нас. Хотя литий-ионные аккумуляторы не следует регулярно разряжать, большинство современных аккумуляторов известны как «умные аккумуляторы», что означает, что они могут сказать вам, сколько времени у вас есть до разрядки аккумулятора (например, «осталось 2 часа 15 минут»). . Эта особенность может привести к неправильной калибровке после большого количества неглубоких разрядов. Поэтому производители рекомендуют полностью разряжать аккумулятор один раз в месяц, чтобы гарантировать точность.
• Сохраняйте прохладу . Большинство людей не замечают этого. Избыточный нагрев вреден не только для вашего процессора (и ваших колен), но и для вашей батареи. Еще раз посмотрите таблицу из Battery University ниже. Горячий аккумулятор испортится гораздо быстрее, чем холодный. Таким образом, мы настоятельно рекомендуем использовать подставку для ноутбука, как один из многих вариантов DIY, которые мы представили здесь, в Lifehacker. Когда дело доходит до вашего телефона, ознакомьтесь с нашим предыдущим разделом «Спросите Lifehacker» о том, как снизить температуру вашего телефона.

Помните об этом, и ваша батарея прослужит дольше. Тем не менее, вам не нужно спать по ночам, беспокоясь о том, заряжается ли ваша батарея. Не жертвуйте практичностью только ради сохранения заряда аккумулятора — если у вас нет зарядного устройства, можно разрядить его до 0% или зарядить до 100%, если хотите. для долгой поездки на самолете. Помните, что ваша батарея умрет через несколько лет, что бы вы ни делали, даже если вы просто оставите ее на полке.Эти рекомендации являются всего лишь рекомендациями по поддержанию его работоспособности как можно дольше (а когда он разрядился, проверьте, что делать, если ваша батарея не работает так долго, как раньше).

Если вы хотите получить более подробную информацию о том, как работают литиевые батареи и как за ними ухаживать, воспользуйтесь приведенными ниже ссылками на сайте Battery University.

С уважением,
Lifehacker

Фото: Nicemonkey / Shutterstock .

Получение максимальной отдачи от литий-ионных аккумуляторов

Кратко:

• Производство полупроводников, станки для лазерной резки, сборка электроники и системы автоматизации лабораторий требуют точных линейных модулей, которые должны работать с высокой точностью конечной точки и плавным перемещением с минимальной вибрацией.
• Конструкция корпуса модуля и материалы конструкции являются критическими факторами, которые могут обеспечить долгосрочную точность и воспроизводимость.
• Независимо от того, насколько хорошо спроектированы и спроектированы, линейные модули нуждаются в надлежащей смазке на протяжении всего жизненного цикла для обеспечения точного и стабильного движения.

Готовые к установке линейные модули используются во многих отраслях промышленности для перемещения материалов, продуктов и производственной оснастки на самых разных станках.

У проектировщиков машин есть несколько вариантов выбора при выборе линейных модулей в зависимости от конкретных требований к производству и производительности.Но есть некоторые отрасли и системные приложения, где точное и точное движение является наиболее важным требованием.

В частности, такие приложения, как производство полупроводников, станки для лазерной резки, сборка электроники и системы автоматизации лабораторий, требуют прецизионных линейных модулей, которые должны работать с чрезвычайно высокой точностью конечной точки и плавным перемещением с минимальной вибрацией на протяжении всего цикла движения.

Понимание нескольких ключевых характеристик конструкции и рабочих характеристик, отличающих прецизионные линейные модули, может помочь разработчикам машин и систем выбрать лучшие продукты, удовлетворяющие требованиям машин, которые они создают.

Необходимость точного движения

Сверхточное и деликатное движение для лазерной резки, автоматизированных систем отбора проб в медицинском испытательном оборудовании или перемещения полупроводниковых пластин с помощью производственного инструмента требует чрезвычайно стабильного, почти безвибрационного движения во время движения. Достижение целевой конечной точки с максимальной точностью — основная цель.

Стабильное движение часто имеет решающее значение для защиты чрезвычайно хрупких материалов от повреждений или деградации, вызванных линейным перемещением.Прекрасным примером являются полупроводниковые пластины: они чрезвычайно хрупкие, а готовая пластина может содержать микросхемы, потенциально стоящие миллионы долларов, в зависимости от размера.

Каждую пластину необходимо транспортировать через сотни этапов процесса, и каждый раз, когда она перемещается с одного этапа на другой, вибрация в линейном модуле рискует повредить пластину в процессе, уменьшая ее конечное значение. Чем меньше вибрация, тем меньше риск.

Точность конечной точки не менее важна для повышения производительности.Если лоток с электронными деталями перемещается в ходе высокоскоростного автоматизированного процесса сборки, максимальная производительность достигается, когда линейный модуль подает лоток в сборочный инструмент с точностью до микронного уровня. ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Также важно отметить, что это стабильное движение и точность конечной точки должны воспроизводиться через тысячи циклов движения каждый день. Если для точной настройки расположения деталей требуется несколько миллисекунд, эти миллисекунды добавляют к часам дополнительного производственного времени, уменьшая пропускную способность и потенциально увеличивая затраты и влияя на графики поставок.

Для достижения этих целей обязательно учитывайте ключевой дизайн, материалы, конструкцию и функциональность, присущие высокопроизводительным прецизионным линейным модулям.

Материалы конструкции

Конструкция корпуса модуля и материалы конструкции являются критическими факторами, которые могут определять долгосрочную точность и воспроизводимость.

В мире линейных модулей алюминий или сталь чаще всего используются для создания корпусов или «профилей». Алюминиевые кожухи обычно используются в более стандартных линейных модулях, поскольку их можно экономично экструдировать, чтобы удовлетворить более широкий диапазон размеров и длины модулей.

Однако важно учитывать прецизионные линейные модули, изготовленные со стальными механически обработанными корпусами. Эти корпуса обычно демонстрируют гораздо меньшую модульную эластичность и отклонение от желаемой траектории движения по сравнению с модулями на основе алюминия (которые также очень стабильны, но попросту не соответствуют уровню, который могут выдержать стальные корпуса).

Модульная эластичность заставляет модуль принимать форму рамы машины, на которой он установлен. В случае экструдированного алюминиевого корпуса, если есть какое-либо отклонение — например, скручивание или изгиб в месте крепления модуля — оно может отражать это отклонение.

Поскольку прецизионные линейные модули имеют корпус из обработанной стали, такого рода отклонения предотвращаются, обеспечивая очень высокую плоскостность или прямолинейность хода. Это способствует снижению вибрации, точности конечных точек и повторяемости местоположения. Кроме того, обратите внимание на модули с обработанной базовой кромкой со встроенными направляющими на корпусе. Некоторые компании, такие как Bosch Rexroth, даже позволяют пользователю указывать, на какой стороне находится опорный край машины, для более быстрого монтажа и легкого выравнивания.

Правильный выбор размера для правильного применения

Если требуется очень точная работа, убедитесь, что выбрали компоненты правильного размера, чтобы выдержать нагрузку. Например, осевая или крутильная нагрузка может потребовать более широких или более тяжелых компонентов, чем простая радиальная нагрузка. Кроме того, для многих передовых приложений в станках, производстве полупроводников и электроники производственные системы относительно невелики, требуя компактных прецизионных модулей, которые легко помещаются в ограниченное машинное пространство.Многие поставщики предлагают разные размеры.

Кроме того, важно учитывать другие основные критерии проектирования линейного движения, такие как среда, в которой работает система, угол, под которым установлена ​​нагрузка, требуемая скорость, расстояние перемещения и требуемый рабочий цикл. В отрасли это известно как ПРОТЯЖЕННЫЕ (нагрузка, ориентация, скорость, перемещение, точность, окружающая среда и рабочий цикл).

Прецизионные модули Bosch Rexroth идеально подходят для приложений, требующих высокой точности конечных точек и минимальной вибрации на протяжении всего цикла движения.

Компоненты движения

Точное и стабильное движение также является продуктом компонентов движения, которые приводят в действие линейный модуль. Для прецизионных линейных модулей оптимальным решением являются шарико-винтовые передачи.

Шарико-винтовые передачи чрезвычайно эффективны при преобразовании вращательного движения в поступательное. В качестве механических приводных элементов они могут устанавливаться в положениях X-Y-Z и выполнять движения с необходимой точностью и повторяемостью.

Шарико-винтовые пары с полноконтактными уплотнениями предлагают уникальное сочетание высокой жесткости, высокой точности и респектабельной скорости, что делает их полезными в самых разных приложениях, связанных с точным перемещением.В частности, их способность выдерживать значительную осевую нагрузку часто делает их лучшим выбором, чем линейные двигатели, особенно для резки металла, дерева и камня.

Не менее важна конструкция линейных направляющих в прецизионных модулях. Точность линейных направляющих зависит от многих факторов: от правильности рельса, по которому движется каретка или подшипник, дорожек качения внутри подшипника, по которым перемещаются шарики или ролики, и от плоскостности монтажной поверхности рельса.

Одной из наиболее важных областей, которую необходимо оценить, является плавность рециркуляции шарика внутри каретки во время его движения по рельсу. На приложения с очень высоким диапазоном точности может отрицательно повлиять даже незначительное движение шариков в рециркуляционной камере или просто небольшой поворот рельсовой системы вокруг своей оси.

Любой прогиб или зазор вообще снижают точность, а любая неровность рециркуляции шариков может привести к неточности.Чтобы решить эту проблему, ведущие поставщики линейных модулей включают направляющие, которые оптимизируют рециркуляцию в ключевых точках перехода, обеспечивая чрезвычайно плавное и стабильное движение при циркуляции шариков в дорожках качения подшипников.

Прецизионные линейные модули, включающие как шариковинтовые пары, так и оптимизированные линейные направляющие в сочетании со стальным корпусом, обеспечивают многие ключевые характеристики, необходимые для высокоточных, высокоскоростных автоматизированных систем.

Смазка и уплотнение

Независимо от того, насколько хорошо спроектированы и спроектированы, линейные модули нуждаются в надлежащей смазке на протяжении всего жизненного цикла для обеспечения точного и стабильного движения.Один из способов обеспечить эффективную интеграцию смазки в общую практику технического обслуживания системы — это выбрать прецизионные модули, которые упрощают и упрощают смазку модулей на постоянной основе.

Большинство прецизионных модулей доступны с обычной промышленной смазкой для начальной смазки. У других модулей есть выбор для более продвинутых предложений по смазке, например, для удовлетворения требований чистой комнаты или электронной промышленности.

Компания Bosch Rexroth недавно модернизировала свою линейку прецизионных модулей, включив в нее более продвинутый стандарт LSS и смазочные материалы LSC для чистых помещений.Также существует возможность подключения к централизованным системам смазки с использованием жидкой смазки. Автоматическая повторная смазка повышает эксплуатационную надежность, исключая человеческий фактор при ручном смазывании.

Линейные модули требуют смазки, потому что они имеют движущиеся части, но движущиеся части могут генерировать крошечные частицы в воздухе, если модуль не герметизирован должным образом (сами смазочные материалы также могут рассеиваться в воздухе). Важно заранее оценить варианты герметизации, предоставляемые поставщиками прецизионных линейных модулей, особенно для чистых помещений или систем автоматизации лабораторий с чувствительными биологическими образцами.

Ищите прецизионную гайку шарико-винтовой передачи и узел линейной каретки, герметизированный с обеих сторон уплотнениями узла шарико-винтовой передачи. Такая конструкция значительно снижает риск утечки смазочного материала наружу.

Конфигурация и техническая поддержка

Последний элемент, который следует учитывать при выборе прецизионных линейных модулей, — это уровень технической поддержки, предоставляемой поставщиком, чтобы помочь машиностроителям выбрать, указать, настроить и заказать необходимые им модули.

Выбор поставщика линейных модулей с помощью простых в использовании, пошаговых онлайн-инструментов для определения размеров и конфигурации может помочь проектировщикам оборудования быстро настроить и заказать нужные модули при необходимости.Некоторые компании также предоставляют возможность выбора и определения размеров комбинации механики, двигателя и привода с помощью одного инструмента.

Когда требуется прямая помощь, также имеет смысл работать с поставщиками линейных модулей, имеющими большой опыт в технологиях линейного перемещения. Эти компании предоставляют техническую поддержку экспертов по линейному перемещению по телефону, электронной почте или в онлайн-чатах в режиме реального времени. Во многих случаях, когда машиностроители не уверены в конкретных требованиях к размерам и производительности для своих приложений, эти эксперты уже решали подобные проблемы в прошлом.

Для самых современных систем автоматизации для достижения высокого уровня производительности не нужно жертвовать качеством ради скорости. Выбор правильного прецизионного линейного модуля может сыграть решающую роль в производительности, эффективности и качестве производства, особенно в тех отраслях и сферах, где требуется сверхточное линейное перемещение, транспортировка без вибрации и чрезвычайно высокая точность конечных точек.

Джастин Лэки (Justin Lackey) — системный менеджер по продукции в Bosch Rexroth Corporation .

Влияние температуры на скорость старения литий-ионной батареи, работающей при температуре выше комнатной

Влияние температуры на скорость старения максимальной емкости накопителя заряда

Путем исследования максимальной емкости накопителя заряда ( Q _м ), а также влияние изменения температуры от 25 до 55 ° C и циклического старения на деградацию Q _m , могут быть получены ценные результаты, которые помогут в определении подходящих условий использования.На рисунке 5 показано, что Q _м постепенно уменьшается с увеличением количества циклов, как и ожидалось. Установлено, что механизмы деградации этой необратимой потери емкости при циклическом старении связаны с одним или несколькими из следующих факторов, а именно структурными изменениями вставного электрода, разложением электролита, растворением активных материалов, фазовыми изменениями в вставляемом электроде и формированием пассивной пленки на электроды и поверхность токосъемника ^15,16 .

Рисунок 5

Максимальная емкость накопителя заряда как функция температуры.

Максимальная емкость накопителя заряда соответствует разному количеству циклов.

Чтобы уточнить, деградация электрода LCO включает его структурные изменения во время циклирования и образования поверхностной пленки и ее последующую модификацию на электроде ¹⁷ . Для графитового электрода основными механизмами разрушения являются образование и рост пленки на границе раздела твердого электролита (SEI) из-за разложения электролита и процесса совместной интеркаляции растворителя на графитовом электроде ^15,17 .Более пристальный взгляд на рис. 4 показывает, что чем выше температура, тем больше Q _m , за исключением падения при 55 ° C. По сути, температура увеличивает производительность LiB в краткосрочной перспективе за счет увеличения его емкости. Но это также увеличивает скорость разложения Q _м , как показано на рис. 5.

Увеличивающаяся скорость разложения Q _м во время цикла с повышением температуры происходит из-за механизмов разрушения необратимых потеря емкости ускоряется повышением температуры, как сообщается во многих исследованиях ^15,17 .Хотя механизмы деградации различных компонентов LiB, а именно электродов, электролита, их границ раздела фаз и сепаратора, которые приводят к необратимой потере емкости, известны, порядок важности деградации этих компонентов неизвестен. Исследование этого порядка важности является целью данной работы, а проявление этих ухудшений электрических характеристик LiB является еще одной целью этой работы, которая не была исследована.

Влияние температуры на скорость старения электрода LCO

Электрод LCO, который является катодом во время разряда, изготовлен из LiCoO ₂ (LCO), наиболее часто используемого материала для композитных электродов ¹⁸ .На рисунке 6 показано разрушение m ₁ электрода LCO при циклическом изменении температуры в диапазоне от 25 ° C до 55 ° C. Определение m ₁ — это эффективность электрода LCO в накоплении ионов лития ¹⁹ .

Рисунок 6

Старение m ₁ электрода из оксида кобальта в зависимости от температуры.

Процентное ухудшение в зависимости от количества циклов при различных температурах показано во вставленной таблице.

Ухудшение m ₁ может быть вызвано двумя механизмами.Один из них — это образование поверхностной пленки и ее последующая модификация на электроде, а другой — структурные / фазовые изменения электрода. Zhang et al. ²⁰ и Ramadass et al. ⁸ наблюдали образование поверхностной пленки в результате окисления на границе раздела электрод / электролит. Maher et al. ²¹ идентифицировали структурные и фазовые изменения электрода LCO. Наличие поверхностной пленки (также называемой SEI) снижает скорость реакции внедрения и деинтеркаляции Li ^{+ 20} , а также структурное / фазовое изменение электрода из гексагональной фазы (менее стабильной, но активной) в кубическая фаза или структура шпинели (менее активная) также снижает скорость переноса заряда.Следовательно, оба механизма приводят к снижению скорости переноса заряда (K) при циклировании. Эта скорость переноса заряда показывает скорость переноса Li +, когда он идет от электрода к электролиту и от электролита к электроду ²² . Вышеупомянутые два механизма уменьшают скорость переноса, и это действительно наблюдается на рис. 7. Оба также увеличивают импеданс электрода, и это снова наблюдается на рис. 8.

рис. 7

Старение константы скорости vs .. температура.

Процентное ухудшение в зависимости от количества циклов при различных температурах показано во вставленной таблице.

Рисунок 8

Суммарное сопротивление электродов и сопротивление электродов / электролита старению в зависимости от температуры.

Процентное ухудшение в зависимости от количества циклов при различных температурах показано во вставленной таблице.

Фактически, на рис. 7 наблюдаются два различных механизма деградации, а именно большое начальное падение значения K, за которым следует более медленное уменьшение значения K после 100 циклов.Для двух механизмов, упомянутых выше, наш текущий анализ не может определить, какой из двух произойдет первым. С другой стороны, более внимательное изучение рис. 7 показывает, что скорость уменьшения значения K после 100 циклов не зависит существенно от температуры, когда диапазон температур составляет 35–55 ° C. Эта информация может пролить свет на идентификацию доминирующего механизма в более поздней стадии циклического старения.

Поскольку уменьшение значения K и увеличение импеданса электрода обусловлены одними и теми же механизмами, ожидается, что их зависимость от температуры будет одинаковой, и это можно увидеть на рис.7 и 8.

Влияние температуры на скорость старения графитового электрода

Графит является наиболее важным материалом анодного электрода в LiB, поскольку он имеет высокую емкость, плоский профиль потенциала и обладает рядом преимуществ, таких как низкая стоимость, длительный срок службы. цикл, малое расширение объема и безопасность ^23,24 . На рис. 9 показано разрушение графитового электрода m ₂ при циклическом воздействии при различных температурах. M ₂ в модели ECBE показывает эффективность графитового электрода в обеспечении запасенных ионов Li ¹⁹ .

Рисунок 9

Старение m ₂ графитового электрода в зависимости от температуры.

Процентное ухудшение в зависимости от количества циклов при различных температурах показано во вставленной таблице.

Деградация m ₂ обнаруживается в основном из-за образования SEI и его роста на поверхности графитового электрода при циклическом изменении ⁷ . Этот SEI развивается за счет восстановительного разложения электролита, сопровождаемого необратимым расходом ионов лития, что приводит к необратимой потере емкости с возможным выделением газообразных продуктов.Поскольку этот слой SEI не полностью проницаем для ионов лития, количество ионов Li, которые могут быть получены от этого электрода, уменьшается с непрерывным ростом SEI на графитовом электроде ²⁵ . Этот SEI также приведет к снижению скорости переноса заряда (K) и увеличению импеданса ячейки, как в случае электрода LCO. Другой возможный механизм старения графитового электрода заключается в том, что растворитель может совместно внедряться в углерод, вызывая расслоение углерода и последующее расширение углеродных частиц, которые образуют соединения тройного интеркалирования графита (GIC).Развитие (GIC) приводит к потере активного материала, а также будет способствовать необратимой потере емкости ¹⁵ . Однако развитие GIC не повлияет на скорость переноса заряда ^15,20 .

Если LiB работает при более высокой температуре, скорость роста SEI будет увеличиваться, и это будет препятствовать доставке ионов Li с графитового электрода. Более высокая температура также усилит образование GIC. Следовательно, оба механизма вызовут большее ухудшение m ₂ при более высоких рабочих температурах, как показано на рис.9, и этот вывод согласуется с Thomas et al. ¹⁰ .

Тщательное изучение вставленных таблиц на Рис. 6 и Рис. 9 показывает, что скорость разрушения обоих электродов во время циклирования довольно схожа при 25 ° C. Но на скорость разрушения электрода LCO влияет больше, когда температура выше 25 ° C. Это означает, что скорость деградации электрода LCO в большей степени зависит от температуры, чем скорость деградации графитового электрода, и это также можно увидеть по большему увеличению крутизны деградации электрода LCO.

Скорость разрушения электродов увеличивается с температурой, как обсуждалось ранее. Более значительный скачок сопротивления элемента на ранних стадиях циклирования наблюдается при высоких рабочих температурах, как видно на рис. 8 от 0 до 50 циклов. Считается, что это связано с увеличением скорости образования SEI на электродах. при более высокой температуре, где Schalkwijk et al. ⁷ подробно рассказали о механизме образования SEI при различных температурах. После 50 циклов разложение связки, окисление проводящего агента и коррозия токоприемника также будут способствовать увеличению импеданса, вызывая еще одно большое увеличение сопротивления при высокой рабочей температуре, как видно из 100-150 циклов на рис.8 ¹⁷ .

Влияние температуры на скорость старения электролита

Старение электролита можно проанализировать по изменению элемента Варбурга. Этот элемент Варбурга моделирует электролит как диэлектрик конденсатора с параллельными пластинами с двумя электродами как две пластины конденсатора. Он моделирует систему электролита как последовательность R _w и C _w , где R _w относится к сопротивлению электролита, а C _w относится к емкости эквивалентного конденсатора с параллельными пластинами.

При повышении температуры с 25 ° C до 55 ° C коэффициент диффузии активных ионов Li в электролите увеличивается ²⁶ , а концентрация ионов лития, протекающих через электролит, также увеличивается ¹⁹ из-за увеличения Q _m в результате усиленного электрохимического восстановления-окисления (окислительно-восстановительного потенциала) на аноде и катоде при повышенной температуре ^27,28 , таким образом, ожидается снижение сопротивления электролита, когда ячейка запускается в первый цикл цикла, как показано на Инжир.10.

Рисунок 10

Старение сопротивления элемента Варбурга в зависимости от температуры.

Процентное ухудшение в зависимости от количества циклов при различных температурах показано во вставленной таблице.

С другой стороны, емкость элемента Варбурга увеличивается с температурой, как показано на рис. 11. Это можно объяснить увеличением количества накопленного ионного заряда (из-за увеличения Q _m ) в двух электродах, т. Е. и для данного V, который представляет собой напряжение на двух выводах LiB, увеличение Q _m приведет к увеличению C.

Рисунок 11

Старение емкости элемента Варбурга в зависимости от температуры.

Процентное ухудшение в зависимости от количества циклов при различных температурах показано во вставленной таблице.

Скорость разложения R _n (т. Е. Увеличение значения R _n ) из-за циклирования больше при более высоких температурах. Это может быть связано с увеличением скорости деградации максимальной емкости накопителя заряда при циклической работе при более высоких температурах. Возрастающая скорость разрушения сепараторов при более высоких температурах также является возможной причиной увеличения R _n ¹⁰ .

Уменьшение емкости элемента Варбурга при циклировании можно увидеть на рис. 11. Одной из возможных причин является образование SEI на электродах и сепараторе, которые уменьшают доступную поверхность активных материалов во время циклирования, то есть эффективную площадь эквивалентный параллельный конденсатор уменьшается. Другая возможная причина связана с образованием слоя SEI, который изменяет конденсаторную модель электролита на два последовательно соединенных конденсатора, где один из них имеет электролит в качестве диэлектрика, а другой — SEI в качестве диэлектрика.Если относительная диэлектрическая проницаемость электролита ε ₁ , а диэлектрическая проницаемость пленки SEI равна ε ₂ , эффективная емкость будет всегда меньше 1. При повышении температуры пленка SEI также будет расти быстрее и толще, которые прямо соответствуют уменьшению емкости при циклировании и повышении температуры.

Умножение R _n C _w приведет к графику, показанному на рис. 12, и можно увидеть, что увеличение температуры увеличит скорость RC, а это означает, что реакция на изменение тока, подаваемого от LiB замедлится при высокой температуре.

Рисунок 12

Старение постоянной времени Warburg RC в зависимости от температуры.

Процентное ухудшение в зависимости от количества циклов при различных температурах показано во вставленной таблице.

Обзор влияния температуры на скорость старения

Из приведенного выше анализа было обнаружено, что более высокая температура увеличивает скорость разложения всех компонентов LiB, и это согласуется с работой Thomas et al. ¹⁰ . Тщательное изучение таблиц, представленных на рисунках, которые показывают деградацию в процентах для каждого компонента в LiB, показывает, что температура оказывает наибольшее влияние на скорость деградации элемента Варбурга при циклическом изменении и последующем импедансе ячейки. .На скорость снижения скорости переноса заряда меньше влияет рабочая температура для рассматриваемого здесь диапазона температур.

При изменении рабочей температуры LiB от 25 до 55 ° C скорость деградации максимального накопления заряда после 260 циклов увеличивается с 4,22% до 13,24%. На уровне компонентов при таком же изменении рабочей температуры скорость деградации сопротивления элемента Варбурга после 260 циклов увеличивается с 49,40% до 584.07% (рис. 10), что является максимальным изменением; а импеданс ячейки занимает второе место, увеличившись с 33,64% до 93,29% (рис. 8). Что касается скорости переноса заряда, то изменение скорости его деградации уменьшается с 68,64% до 56,19% (рис. 7).

Из изменения деградации различных компонентов и сравнения с изменением деградации Q _m , которые также представляют скорость деградации состояния здоровья (SoH) LiB, мы можем сделать вывод, что деградация SoH является не сильно зависит от деградации элемента Варбурга и импеданса ячейки, так как большие изменения их значений могут привести только к небольшому изменению Q _m .Это, кажется, противоречит некоторым исследованиям ^8,20 , в которых утверждается, что более высокий импеданс ячейки является причиной потери зарядной емкости. Расхождение можно объяснить следующим образом.

В большинстве случаев Q _m определяется методом кулоновского счета, где Q _m представлено интегрированием разрядного тока по времени до полного разряда LiB, что соответствует напряжению на клеммах около 3–2,5 В. , в зависимости от типа батареи. Замечено, что с более высоким импедансом ячейки Q _m , определенная таким образом, будет меньше, и это было связано с потерей энергии на импеданс ячейки, в результате чего меньшее значение Q _m вытекает из LiB для интеграции ^{15, 28} .Потеря энергии имеет вид i ² R . Однако это означало бы, что температура ячейки немного увеличивается, и поскольку Q _m увеличивается с температурой ячейки, как мы наблюдали ранее ¹⁹ , такое объяснение сомнительно. Кроме того, очевидно, что определенная Q _m (обычно называемая Q _d , разрядная емкость) с использованием метода кулоновского счета выше, когда разрядный ток меньше ²⁸ , и поскольку более низкий разрядный ток будет означать более низкую энергию. потери, увеличение температуры элемента будет меньше, следовательно, Q _m должно быть уменьшено с меньшим током разряда по сравнению с большим током разряда, и это противоречит экспериментальному наблюдению.

Мы предположили, что наблюдение более низкого Q _m для элемента с более высоким импедансом может быть связано с большим внутренним падением напряжения в LiB. Таким образом, когда внешнее напряжение LiB падает до 2,7 В, где оно устанавливается как напряжение, при котором все накопленные заряды разряжены, фактическое напряжение внутри LiB фактически выше 2,7 В и, следовательно, не все накопленные заряды в ячейке. выводятся во внешнюю цепь. Следовательно, определенная Q _м меньше, чем фактическая Q _м в ячейке.С этим объяснением, когда ток разряда меньше, внутреннее падение напряжения в LiB также будет меньше для данного импеданса ячейки, и, таким образом, внешнее 2,7 В будет ближе к фактическому напряжению внутри LiB, подразумевая, что оставшиеся сохраненные заряды в LiB будет меньше при прекращении разряда 2,7 В, таким образом, определенное значение Q _m больше. Другими словами, наблюдение более высокого импеданса ячейки вызывает более низкую Q _м. является артефактом измерения, а не причинно-следственной связью.

С другой стороны, определение Q _m в этой работе рассчитывается на основе модели ECBE, и, следовательно, эффект внутреннего падения напряжения из-за импеданса ячейки не повлияет на наш расчет. На рисунке 13 показано сравнение Q _m , определенного с использованием метода кулоновского счета при различных токах разряда, с Q _m , определенным с использованием модели ECBE. Можно сделать вывод, что тенденция Q _d с использованием метода кулоновского счета очень похожа на значение, определенное с использованием модели ECBE, когда ток разряда небольшой, что указывает на то, что Q _m из модели ECBE близок к фактическому значению. зарядная емкость LiB.Небольшое уменьшение Q _m , определенное на основе модели ECBE, как показано на рис. 13, связано с чрезмерными зарядами, достигающими отрицательного электрода в единицу времени, что приводит к неэффективному хранению зарядов в электроде, как сообщается ¹¹ .

Рисунок 13

Емкость разряда (Q _d ), измеренная с помощью ETMS, в сравнении с максимальной емкостью накопителя заряда (Q _м ), оцененной ECBE.

Из приведенного выше анализа мы видим, что когда SoH значительно ухудшается, где SoH = Q _м ( текущий ) / Q _m ( свежий ), импеданс ячейки был бы увеличен очень значительно, и это привело бы к увеличению джоулева нагрева ячейки и привело бы к тепловому разгоне и, таким образом, возможно, к возникновению опасности возгорания.Следовательно, из соображений безопасности следует ввести ограниченное допустимое значение деградации SoH.

Кроме того, поскольку наш метод может обнаруживать деградацию SoH в реальном времени и проводить простые измерения, он будет полезен для прогнозирования и диагностики LiB, как показано на рис. 14. Эта информация также позволит определить оставшийся срок полезного использования LiB, о котором будет сообщено в нашей будущей работе.

Рисунок 14

Передовая технология управления батареями с возможностью прогнозирования и диагностики.

Правильная зарядка для транспортировки литиевых батарей

В этом разделе в основном рассматривается правильная транспортировка литий-ионных батарей из-за правил перевозки, но также может относиться к Ni-MH, где это необходимо.

Давайте начнем с определения различных категорий батарей по мере их использования. Существует автономная батарея (не входит в комплект устройства), которая может быть от одной до нескольких ячеек. Существует собственно аккумуляторный элемент, который обычно отправляется от производителя аккумулятора дистрибьютору или сборщику, а затем есть готовый аккумуляторный блок, который собирается в готовый продукт, упаковывается и отправляется дистрибьютору или конечному потребителю.Они помечены как «упакованные с» или «содержащиеся в оборудовании».

Как безопасно упаковать и отправить батареи

Можно ли отправлять литиевые батареи полностью заряженными? Ответ — нет, и на самом деле существуют очень конкретные рекомендации по безопасной зарядке аккумуляторов при транспортировке. Недавняя нормативная директива по химии на основе лития определяет, что элементы или сами аккумуляторные блоки должны быть на уровне 30% заряда (SOC) при отправке.Сейчас это жестко контролируется производителями на уровне ячеек, а сборщики следуют практике на уровне упаковки. Это не относится к аккумуляторным блокам с оборудованием или содержащимся в нем.

Может возникнуть путаница, когда собранная батарея устанавливается в оборудование или конечное устройство и отправляется конечному пользователю и / или на склад для хранения. На этом этапе состояние заряда больше не является критическим фактором, так как после установки аккумулятора устройство электрически отключает аккумулятор.Батарея также защищена на нескольких уровнях упаковки, поэтому нет риска прикоснуться к другой батарее во время транспортировки.

Зная, что уровень заряда 30% неприменим к аккумулятору в конечном продукте, это больше зависит от конкретного продукта и логистики, чтобы определить, какой уровень заряда для управления аккумулятором. Факторы, которые следует учитывать, включают:

Если аккумулятор будет простаивать в течение длительного периода времени, желательно поддерживать уровень заряда на более низком уровне, например, между 30-50%.Более низкий уровень заряда поможет снизить скорость саморазряда, а также снизить невосстановимую потерю емкости, которая происходит с полностью заряженными батареями, которые в течение длительного времени находятся в состоянии саморазряда.

Сводка

Большинство продуктов, в которых используются перезаряжаемые батареи, содержат «Инструкцию по эксплуатации» с устройством, в которой будет указано, что батарею необходимо полностью зарядить перед первым использованием. Ответ на вопрос о зарядке литий-ионных аккумуляторов не является общим и включает понимание химического состава аккумуляторов, который вы выбираете для своего приложения, с логистикой вашего продукта для потребителя.Тем не менее, при транспортировке литий-ионных аккумуляторов важно знать и соблюдать все указанные нормативы и изменения нормативных требований.

Как правильно отправить литий-ионные батареи

Защитите свой бизнес и свои грузы от повреждений, а также от дорогостоящих штрафов, научившись отправлять литиевые батареи. Эти батареи представляют значительную опасность, особенно при транспортировке. Без надлежащей упаковки и обращения литиевые батареи могут взорваться. Чтобы обеспечить надлежащую доставку, получите сертификат DOT Hazmat на упаковку и транспортировку опасных веществ, таких как литий-ионные батареи.Только при надлежащей упаковке и обращении вы можете безопасно отправлять литиевые батареи и аналогичные опасные грузы по стране или по всему миру.

Как работают литиевые батареи?

Литий-ионные батареи

полагаются на движение лития. Положительно заряженные ионы, движущиеся через батарею, при движении высвобождают свои положительные электроны, создавая положительный заряд на коллекторе на положительной стороне. Этот ток проходит через объект с питанием, такой как телефон или компьютер, и возвращается к отрицательной клемме.

Что отличает литий-ионные аккумуляторы от других источников питания, так это их способность перезаряжаться. Эти батареи также не имеют памяти о том, сколько заряда они имели в прошлом. Поскольку у этих аккумуляторов отсутствует такая память мощности, они не требуют полной разрядки перед зарядкой, чтобы максимально увеличить их емкость. Возможность перезарядки делает эти батареи ценным активом для современной электроники. Во время зарядки энергия перемещает ионы от катода к аноду, снова восстанавливая положительный заряд на ионах лития.

Для обеспечения прохождения электронов литий-ионные батареи содержат электролит. Однако этот электролит представляет опасность при транспортировке литий-ионных аккумуляторов. Поскольку его электролит легко воспламеняется, литий-ионные батареи попадают в классификацию опасных материалов при транспортировке грузовиком, поездом, самолетом или лодкой.

Какие опасности при транспортировке литиевых батарей?

Управление безопасности трубопроводов и опасных материалов, PHMSA, подразделение Министерства транспорта, обеспечивает соблюдение правил, регулирующих транспортировку опасных материалов, включая литиевые батареи.Согласно PHMSA, литиевые батареи представляют как электрические, так и химические риски во время транспортировки.

Одна из самых больших проблем при доставке литиевых батарей — это отсутствие контроля над условиями, в которых работают батареи. В грузовых отсеках грузовиков, самолетов и кораблей обычно нет кондиционеров, а чрезмерное нагревание увеличивает вероятность перегрева аккумуляторов.

Перегрев — не единственная проблема. Репутация литиевых батарей подорвана взрывами.Однако это случается редко и при плохих условиях обращения или хранения. Поскольку электролит легко воспламеняется, чрезмерное нагревание может вызвать неуправляемую химическую реакцию, которая приведет к взрыву батареи. Вы можете предотвратить эти редкие взрывы и перегрев, если правильно отгрузите и обработайте источники питания.

Почему взрываются литиевые батареи

Известно, что производитель телефонов Samsung Note7 отозвал устройства в 2016 году из-за взорвавшихся аккумуляторов. В этом экстремальном случае потребительского использования, вызвавшего взрывы, батареи взорвались из-за дефекта во время производства.Широкое использование литиевых батарей во всем, от электромобилей Tesla до ноутбуков и сотовых телефонов, означает, что проблема Samsung выделяется как нарушение.

Аккумуляторы Samsung имели производственную проблему, вызвавшую внутреннее короткое замыкание. Это короткое замыкание может произойти, если разделитель внутри блока питания имеет поврежденную секцию, позволяющую соединить положительные и отрицательные части батареи внутри. Это тепло быстро накапливается и распространяется за пределы батареи, вызывая пожар. Если во время нагрева в батарее происходит утечка электролита, контакт с кислородом может привести к взрыву или воспламенению электролита и дальнейшему распространению пламени.

Поскольку у литиевых батарей есть так много преимуществ по сравнению с другими технологиями, расчетная вероятность взрыва или пожара один на миллион кажется небольшой платой. До тех пор, пока на рынке не появятся столь же эффективные и экономичные батареи, литий-ионные батареи будут оставаться основным источником питания для электроники. По мере роста популярности бытовой электроники и электромобилей количество литиевых батарей, требующих доставки, также будет расти. Однако это требование может создать проблему, которую необходимо предотвратить.

Конечно, чем больше аккумуляторов использует ваша компания, тем выше вероятность того, что что-то пойдет не так. Знание того, как правильно упаковать литиевые батареи, чтобы защитить их от чрезмерного нагрева и физического повреждения, может предотвратить проблемы во время транспортировки.

Как правильно упаковать литиевые батареи

Поскольку вы не можете контролировать внешние условия, в которых батареи будут находиться при транспортировке, вы должны сделать все возможное, чтобы упаковка была максимально безопасной.Упаковка должна предохранять аккумуляторы от короткого замыкания, перегрева или физического повреждения.

Согласно PHMSA, требования к упаковке зависят от того, поставляются ли батареи отдельно или внутри устройства. То же самое и с Международной ассоциацией воздушного транспорта (IATA), которая регулирует грузовые воздушные перевозки за границу.

Упаковка батарей внутри устройств

Упаковка литий-ионных батарей внутри устройств должна предотвращать короткое замыкание, а электроника не может активироваться при транспортировке.Кроме того, контейнер должен препятствовать перемещению батареи и ее устройства внутри упаковки.

Чтобы предотвратить активацию устройства, вы можете выбрать упаковку устройства, чтобы заблокировать доступ к переключателю, или использовать колпачок или замок на переключателе. Когда упаковка ограничивает доступ устройства, она не позволяет литий-ионному аккумулятору передавать электричество и перегреваться.

Упаковка, в которой хранятся аккумуляторные устройства, должна быть достаточно прочной, чтобы предотвратить повреждение устройства.Если вы отправляете запасную батарею вместе с продуктом, в котором она уже установлена, следуйте инструкциям по транспортировке батареек отдельно для упаковки дополнительной батареи.

Упаковка для отдельно поставляемых аккумуляторов

Не все батареи поставляются внутри соответствующих устройств. При отправке батарей по отдельности, материал упаковки имеет значение в том, насколько упаковка соответствует нормам. Внутренние и международные правила перевозки упаковки устанавливают одинаковые требования по предотвращению перегрева и повреждения батарей.Однако при международных авиаперелетах существует дополнительное требование к упаковке отдельно отправляемых аккумуляторов.

Правила

IATA добавляют, что литий-ионные батареи должны иметь заряд не более 30% емкости. Только в соответствии с особыми положениями стран-отправителей и стран-получателей вы можете отправлять аккумуляторы с более высоким процентом мощности. Поскольку литий-ионные аккумуляторы могут заряжаться, отправка их с меньшей емкостью не повлияет на их конечную производительность после перезарядки.

Внутренняя часть упаковки должна окружать батарею, чтобы предотвратить ее контакт с другими батареями или металлическими компонентами.Кроме того, эта упаковка должна иметь конструкцию из непроводящего материала.

Так же, как и батареи, поставляемые внутри устройств, отдельно упакованные батареи должны иметь транспортировочные контейнеры, предотвращающие короткое замыкание и повреждение при падении.

1. Предотвращение коротких замыканий

У вас есть несколько вариантов предотвращения короткого замыкания литий-ионных аккумуляторов в их упаковке. Вы можете обернуть каждый пластик или другой непроводящий материал. Закрывайте клеммы пластиковыми колпачками или изолентой из непроводящего материала.Наконец, вы можете отдельно упаковать каждую батарею таким образом, чтобы она не соприкасалась с другими батареями или металлическими предметами в контейнере.

2. Иметь прочную непроводящую упаковку

При упаковке нескольких батарей каждая батарея должна иметь защитную пленку. Однако более крупная упаковка должна иметь прочную конструкцию. Металла, дерева, пластика и ДВП достаточно для материалов коробки при упаковке этих батарей, если контейнер является жестким и может выдержать испытание на падение.Этот тест требует, чтобы содержимое было адекватно защищено при падении с высоты 1,2 метра.

Правила перевозки литиевых батарей DOT

Порядок перевозки литий-ионных аккумуляторов регулируется правилами Министерства транспорта

. DOT предъявляет более строгие требования к аккумуляторным батареям среднего и большого размера, в то время как литий-металлические батареи меньшего размера имеют относительно немного правил.

Средние и большие литий-ионные батареи находят применение в портативных компьютерах, профессиональном аудио-видео оборудовании и электромобилях.Они имеют 8 граммов или более эквивалентного содержания лития, или ELC.

Каждый контейнер должен включать предупреждение об опасном содержимом. Кроме того, вы должны указать номер телефона для получения дополнительной информации на этикетке упаковки под номером ООН.

Поместите эту информацию на предупреждающую этикетку шириной не менее 4,7 и высотой 4,3 дюйма. На этикетке показано черно-белое изображение батарей, обведенных красными штриховыми метками. Под картинкой вы поместите номер ООН и телефонный номер ниже.

Эти требования к транспортной таре, установленные DOT, распространяются на способ доставки аккумуляторов. Количество батареек, дополнительные ярлыки и дополнительная информация, которые должны быть у вас в наличии, зависят от способа доставки, который вы используете.

Транспортные литиевые батареи

При отправке литиевых батарей выбор способа доставки имеет значение для упаковки и обращения. Например, изменения давления в самолете создают разные нагрузки на контейнеры, чем те, которые испытывают упаковки, путешествующие на грузовике или поезде.

Если у вашей компании нет грузоотправителя по контракту или собственных транспортных средств, проконсультируйтесь с компанией, предоставляющей грузовые перевозки. В некоторых из них действуют особые правила перевозки опасных материалов, таких как литий-ионные батареи, которые выходят за рамки национальных и международных правил.

1. По земле

Железнодорожная или автомобильная перевозка аккумуляторов имеет больший вес. Содержание лития при наземной доставке может достигать 300 ватт-часов (Втч). Однако при выборе наземного варианта для этих более крупных батарей вы должны включить этикетку, на которой указано, что они содержат литиевые батареи и что транспортировка может осуществляться только по земле, а не по воздуху или морю.

Если ваш груз требует, чтобы какой-либо отрезок пути проходил по воздуху или воде, упакуйте его в соответствии с этими требованиями. Каждый раз, когда внутри грузового самолета или судна, груз меняет обозначение на водный или воздушный транспорт вместо наземного. В случае сомнений придерживайтесь более строгих правил доставки по воздуху и по морю.

2. По воздуху или по морю

И средние, и большие батареи предъявляют одинаковые требования при доставке по воздуху или по морю. Перезаряжаемые литиевые батареи могут путешествовать на борту пассажирского самолета, если контейнер весит менее 11 фунтов.Незаряжаемые литиевые батареи вообще не могут путешествовать в пассажирских самолетах.

Все батареи, отправляемые на самолетах или лодках, должны пройти конструкторские испытания. Чтобы убедиться в их безопасности, литий-ионные батареи должны иметь документы об опасных материалах класса 9. Контейнеры, путешествующие по воздуху, должны также включать в документы информацию для экстренного контакта и уведомления пилота в дополнение к информации о доставке.

Для международных авиаперевозок литий-ионных аккумуляторов действуют аналогичные правила, перечисленные Международной ассоциацией воздушного транспорта, IATA.Хотя многие стандарты остаются схожими, вы можете столкнуться с небольшими различиями. Например, в некоторых странах запрещен ввоз по воздуху отдельно упакованных литий-ионных батарей.

Какие сертификаты необходимы при транспортировке литиевых батарей?

Хотя IATA не требует, чтобы эти упаковочные литий-ионные батареи имели сертификат, она требует, чтобы они получили «соответствующие инструкции» по этому вопросу. Тем не менее, отправляемые литий-ионные батареи Раздела I должны пройти полное обучение IATA.PHMSA требует, чтобы упаковщики получили инструкции о надлежащих способах помещения литий-ионных батарей в транспортные ящики.

Адекватная инструкция должна выходить за рамки 10-минутной демонстрации. Пройдите для своих сотрудников углубленное обучение по упаковке всех типов опасных материалов в соответствии с национальными и международными правилами.

Занятия в рамках нашего курса охватывают средства упаковки в соответствии с требованиями к транспортировке по земле, воздуху или воде. Чтобы ваши сотрудники понимали информацию, которую они узнали в классе, они должны сдать экзамен с несколькими вариантами ответов с правильностью 75%, чтобы получить сертификат об окончании курса.Вы не только предложите своим сотрудникам необходимое обучение, но и получите доказательства их понимания.

Благодаря онлайн-обучению сотрудники могут посещать занятия, когда у них есть время. Если они заканчивают курс перед упаковкой литий-ионных батарей для отправки, им может потребоваться столько времени, сколько необходимо, чтобы получить полное представление о материале. Сочетание онлайн-классов с практическими занятиями еще больше укрепит правила, которым сотрудники усвоили во время своего обучения.

Кроме того, IATA требует обновлять обучение с помощью курсов повышения квалификации для ваших сотрудников не реже одного раза в два года или в случае изменения правил. Ведение записей о каждой тренировке поможет вам спланировать будущие курсы для ваших сотрудников.

Получите сертификат DOT Hazmat в школе Hazmat

На курсах Hazmat School вы можете получить необходимое обучение, чтобы не отставать от всех требований DOT для перевозки литиевых батарей наземным, воздушным и морским транспортом.

Наши учебные классы подготовят ваших сотрудников к работе с опасными грузами, такими как литий-ионные батареи.Вы не только избежите штрафов за неправильно упакованные батареи, но и сэкономите деньги с нашими курсами. Мы превзойдем цены конкурентов, а также предлагаем групповые скидки и скидки 20% для государственных служащих. Вы пройдете обучение, необходимое вашим работникам по вопросам безопасности, сэкономив при этом на курсах.

Не рискуйте доставкой литий-ионных аккумуляторов в неправильной упаковке. Обучение правильной упаковке и способам доставки, требуемое DOT, гарантирует, что вы и ваши сотрудники будете знать, как обеспечить безопасность ваших отправлений во время транспортировки.

Чтобы узнать больше о наших курсах и о том, как получить сертификат DOT Hazmat, свяжитесь с нами сегодня.

Управляет курсами электронного обучения и блогом Hazmat School. Кирсти имеет большой опыт работы в сфере онлайн-обучения и образования. Кирсти работала с курсами, которые предлагают различные сертификаты безопасности и охраны окружающей среды, которые удовлетворяют требованиям OSHA, EPA и DOT.

.