Зарядное устройство li ion: Li-1, Устройство зарядное для Li-ion аккумуляторов, Robiton

Содержание

Зарядник Li-Pol, Li-Ion: отличия, разница в зарядке

Существуют ли отличия в зарядных устройствах для аккумуляторов Li-Po и Li-Ion (литий-полимерных и литий-ионных)?

Если мы говорим о смартфонах и другой современной бытовой электронике, то для пользователя разницы в таких зарядниках нет.

У обоих типов аккумуляторов одинаковые материалы анода и катода, требуется одно и то же количество электролита. То есть заряжаются они по единым общим алгоритмам.

Однако есть некоторые отличия Li-Ion от Li-Pol, которые несущественны. Производители оправданно пренебрегают ими. Ниже вы узнаете, почему.

Какие есть отличия Li-Pol от Li-Ion в плане зарядки?

Некоторые профессиональные зарядные устройства предлагают особые продвинутые режимы зарядки. Так, например, предлагается выставить «Li-Ion» или «Li-Polymer». Разница будет в выборе напряжения для зарядки.

• «Режим Li-Ion»: номинальное от 3,6В до 3,75В с прекращением заряда при 4,1В.
• «Режим Li-Polymer»: номинальное от 3,7В до 3,75В с прекращением заряда на клеммах 4,2В.

В теории у производителя должно быть техническое описание аккумулятора. В нём указано, какое напряжение следует выбирать для зарядки. То есть или 4,1В, или 4,2В. Но это в теории.

На практике похоже, что все литиевые батареи нашего времени работают с максимальным напряжением 4,2В [узнайте почему так поступают производители]. При этом аккумуляторы Li-Ion и LiPo абсолютно взаимозаменяемы.

Так есть отличия Li-Pol от Li-Ion в плане зарядки или нет?

С точки зрения производителя аккумуляторов, зарядных устройств и мобильных гаджетов оба типа эквивалентны. В том числе и в плане зарядки.

Так, например, в адаптерах питания может использоваться одна и та же микросхема LTC-4054-4.2 [даташит в PDF]. Или контроллер питания в виде чипа с исполнением QFN/QFP [ссылки ведут на wiki] с одной и той же схемотехникой дросселей и конденсаторов.

Разница Li-Ion и Li-Polymer не учитывается инженером при выборе микросхемы зарядки.

Теперь вы знаете, что нет никакой разницы между зарядкой современных мобильных устройств на аккумуляторе Li-Ion (литий-ионном) и Li-Polymer (Li-Po/Li-Pol, то есть типичным литий-полимерным в электрохимической системе LCO, литий-кобальтовой).

А значит в обоих случаях вы можете использовать одно и то же зарядное устройство. Главное чтобы соответствовали спецификации адаптера и устройства (узнайте какие).

Для углублённого понимания вопроса про зарядник вам могут пригодиться эти руководства:

Заряд Li-ion АКБ типоразмера 18650 с помощью Вымпел-55

&bigtriangleup;

&bigtriangledown;

07.02.2020

Плюсы и минусы Li-ion АКБ

Литий-ионный аккумулятор – один из самых распространенных видов АКБ, широко используется в большом количестве современной бытовой электроники, электромобилях и всеми любимых портативных гаджетах.
Главные плюсы АКБ данного типа – большой ток отдачи, высокая плотность накапливаемой энергии, малый саморазряд, стабильное напряжение, не требует обслуживания, большой рабочий ресурс (более 1000 циклов заряда и разряда), и относительная неприхотливость.
Но есть и минусы – такие аккумуляторные батареи не любят глубоких разрядов, желательно их заряжать до падения ниже — 10% заряда. Оптимальная температура работы 20-25 градусов Цельсия. В холоде процесс разряда происходит быстрее, так же не рекомендуется заряжать холодные АКБ. Как и во всех остальных типах аккумуляторов — не следует превышать допустимые значения напряжения и тока. При механическом повреждении или замыкании li-ion аккумулятора может произойти возгорание. Но если внимательно относиться к эксплуатационным особенностям, то можно значительно продлить их срок службы.

Типоразмеры li-ion аккумуляторов

Для того что бы определить формат у li-ion АКБ имеется система маркировки:

Первые две цифры указывают на диаметр АКБ (в мм).
Следующие две цифры говорят о длине АКБ (в мм).
Последняя цифра служит ссылкой на форм-фактор элемента питания (для цилиндрических обозначается как 0)

Рассмотрим один из самых популярных форм цилиндрических li-ion АКБ c маркировкой – 18650 (например, данный типоразмер используется в ноутбуках, производстве составных АКБ для автомобилей Tesla и для питания разнообразной портативной электроники. Об этом типоразмере далее и пойдет речь).

18 – диаметр (в мм)
65 – длинна (в мм)
0 – обозначение цилиндрической формы

Заряд li-ion АКБ типоразмера 18650 с помощью Вымпел-55

У большей части электроники с li-ion АКБ имеются встроенные механизмы для заряда, для подзарядки достаточно просто подключить в сеть через адаптер. В других случаях аккумулятор нужно заряжать самостоятельно.
Номинальное напряжение li-ion АКБ типоразмера 18650 составляет 3,7В.

Напряжение заряда составляет 4,1В

Наиболее правильно заряжать li-ion АКБ в два этапа:

На первом этапе нужно заряжать АКБ постоянным током, с расчетом 0. 5С (где С – емкость батареи в Ач) соответственно если емкость батареи составляет – 3Ач, ток заряда должен составлять 1,5 А. Если емкость батареи указана в мА, то можно пересчитать: 1000 мАч = 1 Ач. Заряд происходит до достижения напряжения на АКБ 4.1 В.
После достижения напряжения в 4.1В — заряд идет при постоянном напряжении и постепенном снижении тока.

График заряда

Как только ток заряда уменьшится 0.05-0.01С, заряд можно считать завершенным.
Вымпел–55 может работать в автоматическом режиме, т.е. самостоятельно понижать ток при достижении нужного напряжения.

Порядок действий:

Для зарядки нам понадобится: Вымпел-55 и батарейный отсек 1×18650 (с выводами на + и — , для подключения зажимов)

Батарейный отсек

Подключаем Вымпел–55 к сети, выставляем в настройках «Алгоритм– 1»
Подробнее о алгоритмах(видео)
Далее по инструкции выставляем нужные значения напряжения и тока
Подключаем зажимы к выводам + и –
Отключаем зарядное устройство после окончания заряда

Заряд составных батарей 18650

Возврат к списку

Зарядное устройство для аккумуляторных сборок Li-Ion, Li-Po, Li-FePO4 Robiton Hobby Charger01

Зарядное устройство ROBITON HOBBYCHARGER01 для аккумуляторных сборок 1s 2s 3s 4s Li-Ion Li-Pol LiFePO4 напряжением 3.7 7.4 11.1 и 14.8 v
Балансировка каждого аккумулятора .
Быстрое, полностью автоматическое зарядное устройство с балансиром, специально разработанное для заряда для литий-ионных, литий-полимерных и литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей из 1-4 элементов. Используя наиболее эффективный метод заряда, сочетающий фазу заряда постоянным током, сменяемую фазой заряда с постоянным напряжением, это балансировочное зарядное устройство абсолютно безопасно заряжает литиевые аккумуляторы. Благодаря функциям защиты от перегрева, переполюсовки и короткого замыкания, препятствует повреждению как зарядного устройства, так и аккумуляторов.

Устройство простое и удобное в использовании, так как процесс заряда и балансировки осуществляется автоматически.

▪ микропроцессорный контроль заряда
▪ быстрая балансировка каждого аккумулятора

▪ быстрый заряд с автоматическим отключением
▪ безопасный двухфазный метод заряда «постоянный ток-постоянное напряжение»
▪ защита от перегрева, переполюсовки, перезаряда и короткого замыкания
▪ автоматическое выявление неисправных батарей

Балансирочоное зарядное устройство ROBITON HobbyCharger01 работает от сети 100-240 В и автомобильного прикуривателя 12 В, адаптеры в комплекте.

Почему необходимо использовать зарядное устройство с балансировкой?
Каждый аккумулятор в сборке имеет свое внутреннее сопротивление. В процессе заряда, степень накопления заряда у каждого аккумулятора будет разной в зависимости от его внутреннего сопротивления. Li-ion и Li-Pol аккумуляторы чувствительны к перезаряду.

В результате при заряде аккумуляторных сборок обычными зарядными устройствами:
— аккумуляторы не могут быть заряжены полностью
— аккумуляторы могут быть чрезмерно заряжены, что не безопасно
— уменьшается срок службы батареи – количество возможных циклов заряд-разряд

Балансировочное зарядное устройство ROBITON HobbyCharger01 позволяет полностью зарядить каждый аккумулятор в сборке без риска чрезмерного заряда и увеличивает срок службы аккумуляторной сборки.

Зарядное устройство для аккумуляторных сборок Li-Ion, Li-Po, Li-FePO4 Robiton Hobby Charger01 технические характеристики:

▪ Вход: AC 100-240 В ~50/60 Гц; DC 12-24 В 1,0-1,5 А
▪ Выход: DC Li-Ion/Li-Po 4,2-16,8 В; DC Li-FePO4 3,6-14,4 В
▪ Выходной максимальный ток: 1 А
▪ Заряжаемые типоразмеры: балансировочные разъёмы
▪ Заряжаемые электрохимсистемы: Литиево-Железофосфатные, Литиево-Полимерные, Литиево-Ионные
▪ Размер и способ подключения к сети: Настольное ЗУ (со шнуром)
▪ Зарядный ток и время заряда: Быстрый заряд (1,5ч-6 ч)
▪ Метод заряда: Отключается автоматически
▪ Дополнительные возможности: Балансировка, Защита от переполюсовки, Выявление неисправных аккумуляторов

Все своими руками Зарядное своими руками для Li-Ion

Опубликовал admin | Дата 13 февраля, 2017

Выполняю очередную просьбу одного из посетителей сайта, не являющимся радиолюбителем, но желающим сделать своими руками простое зарядное устройство для LI-Ion аккумуляторов, которые он поставил вместо, вышедших из строя аккумуляторов для шуруповерта. Для получения 12 вольт требовалось три LI-Ion аккумулятора, и зарядное должно было бы иметь три канала зарядки. Но, чтобы полностью использовать возможности трансформаторы и так сказать на всякий случай, я добавил четвертый, запасной. Схема устройства представлена на рисунке 1.

Все комплектующие схемы покупные. Понижающие импульсные стабилизаторы DC-DC и модули зарядки LTC4056 куплены в интернет магазине Eliexpess. Ниже приведены скриншоты со страничек этого магазина.

Конденсатор фильтра выпрямителя С1 состоит из четырех конденсаторов по 2200 микрофарад на 16 вольт. Величина емкости выбиралась из общепринятого правила, 2000 микрофарад на один ампер тока нагрузки. Выпрямительный мост VD1 можно применить любой, на ток не менее 8А. Во время эксплуатации зарядного устройства возможно всякое, поэтому запас по параметрам должен быть обязательно. Для этих целей хорошо подойдут импортные мосты, например, RS801, KBU8A, BR805… .

Все эти мосты рассчитаны на ток 8 ампер.

При одновременной зарядке трех аккумуляторов, исходя из данных на модуль LTC4056, в которых указан ток заряда один ампер, через мостик будет течь ток величиной три ампера. При таком токе на мостике будет выделяться мощность: P = Uд • Iн • 4 = 1 • 1,5 • 4 = 6Вт. Где Uд — падение напряжения на диоде в прямом направлении (В), Iн – средний ток, протекающий через диод в мостовом выпрямителе (А), ну и диодов – 4. Таким образом, убеждаемся, что при выделяемой тепловой мощности в 6 Вт, необходим теплоотвод для нашего моста. Сетевой трансформатор применен унифицированный накальный ТН-36. Все его вторичные обмотки рассчитаны на ток до одного ампера, поэтому для получения тока нужной величины – 4А, все обмотки соединены параллельно.

На схеме предусмотрен предохранитель только в первичной сети, но я бы рекомендовал поставить предохранители во всех каналах зарядного устройства на 1,5А.

И самое главное! Микросхема, примененная в зарядном модуле LTC4056, в случае неправильного подключения заряжаемого аккумулятора, очень быстро перегревается и выходит из строя!

Скачать статью:

Скачать “zaryadnoe-dlya-chetyrex-li-ion-akkumulyatorov” zaryadnoe-dlya-chetyrex-li-ion-akkumulyatorov. rar – Загружено 1 раз – 83 КБ

ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ Li-Ion АККУМУЛЯТОРОВ

ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ Li-Ion АККУМУЛЯТОРОВ

Абрамов Сергей г. Оренбург

В настоящее время широкое распространение получили Li-Ion и Li-полимерные аккумуляторы. Их отличительная особенность- большая ёмкость при меньшем весе и габаритах. Достаточно большая номенклатура таких аккумуляторов применяется в сотовых телефонах. Специфика зарядки подобных накопителей электроэнергии заключается в строгом соблюдении режимов зарядки, несоблюдение которых приводит к выходу из строя, а иногда и взрыву аккумуляторов. Сложность соблюдения режимов зарядки видимо обусловливает редкие публикации подобных статей.

Для зарядки Li-Ion аккумуляторов выпускаются специализированные микросхемы, обеспечивающие безопасную зарядку. Автор приводит одну из конструкций зарядного устройства на микросхеме MC34674. Она представляет собой полностью интегрированное готовое решение для зарядки одноэлементных Li-Ion и Li-полимерных аккумуляторов. Данная микросхема обеспечивает максимальный зарядный ток равный 1 амперу при входном напряжении 4,3-10 вольт. Микросхема обеспечивает защиту от высокого входного (не более 28 вольт) напряжения, перегрева микросхемы и аккумулятора. Данная микросхема допускает зарядку полностью разряженных аккумуляторов малым током. Размеры чипа 2х3мм., поэтому собранное зарядное устройство занимает очень мало места, и позволяет встраивать его в носимое изделие.

Процесс зарядки представляет собой три этапа. Первый это когда аккумулятор полностью разряжен, так называемая «капельная зарядка», величина напряжения ниже 2,7 вольт. При этом входное напряжение заряда должно превышать хотя бы на 60мв. Второй этап, зарядка постоянным током, если напряжение на аккумуляторе выше 2,7 вольт. И третий этап, это дозарядка постоянным напряжением, величина напряжения 4,2 вольта, ток постепенно падает до нуля. При этом в процессе зарядки контролируется величина тока и напряжения. Если в процессе работы потребителя энергии, напряжение на аккумуляторе упадёт до 4,1 вольта, включится вновь режим заряда постоянным током, т. е. максимально возможным. Если в процессе заряда температура кристалла увеличится до 110°С, во избежание выхода из строя микросхемы зарядка прекращается. Микросхема позволяет регулировать ток заряда аккумулятора в зависимости от его температуры, для этого в аккумулятор должен быть встроен NTC термистор. В аккумуляторах используемых для сотовых телефонов такой термистор имеется.

Рассмотрим работу зарядного устройства Рис1. Напряжение от USB устройства или внешнего источника поступает на разъём Х2. Проходит через предохранитель FU1, фильтруется и сглаживается дросселем L1 и конденсатором C3 и поступает на вход микросхемы D1. Емкость С4 и варистор R6 используется для гашения импульсных выбросов в момент подключения зарядного устройства на горячую. Зарядное напряжение выходит с 8 ножки микросхемы D1 и поступает на + аккумулятора GB1. Цепочка R1, R2, C2 служит для установки температурного окна нагрева-замерзания аккумулятора, в котором будет производиться зарядка. С данными номиналами резисторов верхняя температура отключения выбранная +55°С, будет достигнута если RT+R2=120к. Нижняя температура выбрана -40°С, будет достигнута если RT+R2=290к). Вывод EN(4) D1 служит для внешнего включения (логический 0), выключения (логическая 1) микросхемы. Выводы GRN(2) и RED(3) служат для индикации режима работы зарядного устройства. На данной схеме эти выводы заводятся на свободные порты микроконтроллера переносного устройства. Если в схеме не предусматривается использование микроконтроллера то вывод 4 необходимо заземлить. Номиналы резисторов R3, R4 уменьшить до 470 Ом, подключить их вместо +5в на 1 ножку D1, и последовательно с резисторами включить светодиоды, для индикации режима работы зарядного устройства. Следующие уровни определяют в каком режиме находится микросхема. Если Uvx_norma=0 и Zar_Bat=1, то значит батарея заряжена. Если Uvx_norma=1 и Zar_Bat=0 то батарея заряжается.

Устройство собрано на односторонней печатной плате размером 9х13мм рис2. В устройстве применены чип компоненты. С1,С2,С4-0402, С3-1206, R1-R5-0402, R6-0805, L1-3216, FU1-0402.

Рис1.

Рис2.

Беспроводное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов

для носимых устройств включает встроенный понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный.

LTC4126 — это полнофункциональное беспроводное зарядное устройство для литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторов на 7,5 мА и безиндукторное устройство постоянного тока на 1,2 В. преобразователь в постоянный ток, разработанный для слуховых аппаратов, беспроводных гарнитур и других носимых устройств с ограниченным пространством, для которых требуется беспроводная зарядка. LTC4126 можно комбинировать с однотранзисторным передатчиком ZVS на базе LTC6990, чтобы получить полное решение для беспроводной зарядки.

Эффективный беспроводной контроллер входной мощности

Носимые устройства все чаще используют беспроводную зарядку аккумуляторов, что улучшает взаимодействие с пользователем, устраняя необходимость в кабелях или открытых разъемах на носимых устройствах. Зарядное устройство LTC4126, преобразователь постоянного тока в постоянный, оснащен беспроводным контроллером мощности, который позволяет ему принимать энергию по беспроводной сети от переменного магнитного поля, создаваемого передающей катушкой (например, в решении LTC6990). Беспроводной контроллер мощности выпрямляет переменное напряжение из резонансного резервуара на стороне приемника в постоянное напряжение на выводе V _CC.Это постоянное напряжение подается на линейное зарядное устройство, которое регулирует заряд аккумулятора.

Когда LTC4126 получает больше энергии, чем необходимо, беспроводной контроллер мощности регулирует вход линейного зарядного устройства, V _CC, путем шунтирования резонансного резервуара приемника на землю. Таким образом, линейное зарядное устройство работает с высокой эффективностью, поскольку его входное напряжение поддерживается чуть выше напряжения батареи, V _BAT. Резонансный резервуар также получает меньше энергии при включении шунтирующего контура, поскольку резонансная частота отстроена от частоты передатчика.

Рисунок 1. Выпрямление переменного тока на входе и регулировка постоянного напряжения на шине.

Полнофункциональное линейное зарядное устройство

Встроенное линейное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов постоянного тока (CC) / постоянного напряжения (CV) в LTC4126 обеспечивает здоровые циклы зарядки с помощью полного набора функций защиты, включая автоматическую подзарядку, автоматическое отключение по таймеру безопасности, обнаружение неисправности аккумулятора и приостановка заряда вне температурного диапазона. LTC4126 включает в себя сигналы состояния зарядного устройства и уровня напряжения батареи, которые могут передаваться на системный микроконтроллер.

Безиндукторный малошумящий преобразователь постоянного тока в постоянный

LTC4126 включает в себя встроенный безиндукторный преобразователь постоянного тока с подкачивающим насосом, который обеспечивает регулируемый выходной сигнал для нагрузки системы от батареи. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток LTC4126 можно включать и выключать через контакт EN, что позволяет управлять им с помощью микропроцессора. В качестве альтернативы вывод EN можно использовать вместе с выводом PBEN LTC4126 для реализации кнопочного управления — никаких дополнительных схем устранения дребезга не требуется.

Преобразователь постоянного тока с зарядным насосом имеет три режима работы, в зависимости от напряжения батареи, для повышения общей эффективности.

Рис. 2. Зависимость теоретической максимальной эффективности преобразователя от напряжения батареи.

Рис. 3. Комплектный приемник беспроводного зарядного устройства диаметром 6 мм со встроенным преобразователем постоянного тока и выходами состояния зарядного устройства.

Полная прикладная схема на крошечной печатной плате

Из-за высокой степени интеграции LTC4126 требуется всего несколько внешних компонентов для полноценного беспроводного приемного устройства с зарядным устройством. При размере аппликационной доски 6 мм в диаметре вся конструкция может быть помещена внутри слуховых аппаратов или наушников.

Однотранзисторный ZVS-резонансный беспроводной передатчик мощности

Однотранзисторный передатчик, показанный на рисунке 4, представляет собой простую резонансную схему, использующую LTC6990 в качестве генератора для управления маломощным транзистором. Для достижения режима ZVS резонансная частота резервуара передатчика устанавливается в 1,29 раза больше частоты генератора. Таким образом, потери при переключении значительно снижаются, а общая эффективность беспроводной зарядки увеличивается. Для этого передатчика требуется всего несколько компонентов, и его можно разместить в небольшом корпусе.

Рис. 4. Полное решение для беспроводной зарядки с однотранзисторным передатчиком ZVS и приемником LTC4126.

Рисунок 5. Работа ZVS при f _{TX_TANK} = 1,29 × f _DRIVE.

Заключение

LTC4126 — это хорошо защищенное, высокоинтегрированное и чрезвычайно компактное беспроводное зарядное устройство-приемник, идеально подходящее для носимых устройств. Полное решение для беспроводной зарядки легко достигается путем объединения LTC4126 (на носимой стороне) с однотранзисторным передатчиком ZVS на основе LTC6990 (на стороне зарядной станции).Полное решение на основе этих устройств отличается низкими потерями мощности и невысокой стоимостью.

Как заряжать литий-ионные аккумуляторы, литий-полимерные аккумуляторы и литий-железо-фосфатные элементы, включая зарядные устройства для литиевых аккумуляторов.

Зарядка литий-ионного аккумулятора

Основы

Эти примечания в равной степени относятся и к литию. ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Химия в основном такая же для два типа аккумуляторов, поэтому методы зарядки литий-полимерных аккумуляторов могут использоваться для литий-ионных аккумуляторов.
Зарядка лития фосфата железа 3,2 вольт ячейки идентичны, но фаза постоянного напряжения ограничена 3,65 вольт.

Литий-ионный аккумулятор легко заряжается. Безопасная зарядка — это труднее. Основной алгоритм — зарядка при постоянном токе (от 0,2 C до 0,7 C в зависимости от производителя), пока аккумулятор не достигнет 4,2 В на канал (вольт на ячейке), и удерживайте напряжение на уровне 4,2 В, пока ток заряда не упадет. до 10% от первоначальной ставки начисления.Условием прекращения является падение ток заряда до 10%. Максимальное напряжение зарядки и ток завершения незначительно варьируется в зависимости от производителя.

Однако таймер заряда должен быть включены для безопасности.

Заряд не может быть прекращен напряжением. В Емкость, достигнутая при 4,2 В на элемент, составляет всего от 40 до 70% полной мощности если не заряжается очень медленно. По этой причине вам нужно продолжать заряжать до тех пор, пока ток не упадет, и прекратить работу на слабом токе.

Это Важно отметить, что непрерывная подзарядка неприемлема для литиевых аккумуляторов. батареи. Литий-ионная химия не может допустить перезарядку, не вызывая повреждение элемента, возможно, отслоение металлического лития и превращение опасно.

Плавающая зарядка, тем не менее, является полезным вариантом. Проблема безопасности с поддержанием постоянного заряда аккумулятора — это то, что если зарядное устройство должно как-то сойти с ума и подать более высокое напряжение, могут быть проблемы.Так что по логике, чем короче включается зарядное устройство, тем меньше вероятность заряда при подключении к аккумулятору выйдет из строя. Однако есть еще один Метод безопасности, плата защиты аккумулятора, которая должна быть включена либо на аккумулятор или в другой цепи между аккумулятором и зарядным устройством. BPB (также известная как PCB для «платы защиты») или другое управление батареей. цепь остановит заряд, если напряжение станет слишком высоким.

Иногда возникает вопрос «Каков эффект от зарядки менее 4,2 вольт?» В отличие от других батарей химии аккумулятор будет заряжаться, но никогда не достигнет полной зарядки, это будет взиматься только частичная оплата. Причина этого в том, что ионы помещаются в анодные или катодные кристаллы требуют большего напряжения, чем простой напряжение электрохимической ячейки. Чем выше напряжение, тем больше ионов может быть вставлен. Ссылка на эту страницу содержит наши исследования и некоторые количественные данные. от относительной емкости заряженных литий-ионных аккумуляторов ниже 4.2 вольт. Преимущество зарядки при более низком напряжении заключается в том, что срок ее службы сокращается. резко вверх.

Эта ссылка показывает, как литиевое железо Емкость фосфатных аккумуляторов изменяется в зависимости от напряжения заряда. Напряжение заряда эксперименты с литий-железо-фосфатными батареями, показывающие, как меняется емкость с зарядным напряжением.

Медленная зарядка ионно-литиевых батарей

Когда скорость заряда во время фазы постоянного тока низкая, процесс зарядки будет тратить меньше времени во время хвоста постоянного напряжения.Если вы заряжаете ниже около 0,18 ° C, при достижении 4,2 вольта ячейка практически заполнена. Этот может использоваться как альтернативный алгоритм начисления. Просто зарядите ниже 0,18C постоянный ток и прекратить заряд, когда напряжение достигнет 4,2 вольт на ячейку.

Безопасность

Каждый литий-ионный аккумулятор должен иметь метод поддержания баланса клеток и предотвращения их чрезмерно разряжены. Обычно это делается с помощью доски безопасности, которая контролирует зарядка и разрядка пакета и предотвращение опасных вещей.Технические характеристики этих досок безопасности продиктованы производителем ячейки, и может включать следующее:

Защита от обратной полярности
Температура зарядки — нельзя заряжать при температуре выше ниже 0 ° C или выше 45 ° C.
Ток заряда не должен быть слишком большим, обычно ниже 0,7 С.
Защита от тока разряда для предотвращения повреждений из-за короткого замыкания. схемы.
Напряжение заряда — постоянный предохранитель размыкается при слишком высоком напряжении. прикладывается к клеммам АКБ
Защита от перезарядки — останавливает заряд при напряжении на ячейку поднимается выше 4,30 вольт.
Защита от чрезмерной разрядки — прекращает разрядку, когда аккумулятор напряжение падает ниже 2,3 В на элемент (зависит от производителя).
Предохранитель открывается, если аккумулятор когда-либо подвергается воздействию высоких температур. выше 100 ° С.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов на заказ | Интеллектуальные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов

Опытные инженеры понимают лучший способ

для зарядки литий-ионного аккумулятора

Зарядные устройства для аккумуляторов, разработанные и изготовленные на заказ

для вашего уникального аккумуляторного блока требуется

Зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов, изготовленные на заказ, обеспечивают безопасную и надежную поддержку зарядки наших литий-ионных аккумуляторов. Зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов от Alexander Battery Technologies изготавливаются по индивидуальному заказу в соответствии с потребностями ваших литий-ионных аккумуляторных блоков в сборе и могут иметь полную шину управления системой (SMBus).

Если у вас есть готовые технические требования, запросите расценки. По вопросам, касающимся наших возможностей зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов, свяжитесь с нами. Мы предлагаем полную консультацию, работая с вашими проектными спецификациями, чтобы превзойти ваши ожидания по качеству и удовлетворить потребности вашего зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов.

Конструктивные особенности зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов по индивидуальному заказу

Наши зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов с одним или несколькими отсеками могут быть сконструированы таким образом, чтобы полностью удовлетворить потребности ваших литий-ионных аккумуляторов. Имея несколько вариантов дизайна, мы можем изготовить индивидуальное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов, которое так же уникально, как и аккумулятор, который он поддерживает. Некоторые конкретные конструктивные особенности, которые мы поддерживаем, включают:

Линейный источник питания
Обнаружение неисправностей
Конструкция встроенного заряда
Интеграция схем блока
Корпуса, изготовленные по индивидуальному заказу
Синхронизированный аккумулятор и шифрование зарядного устройства
Несколько функций интеллектуального дизайна

Преимущества зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов на заказ

Alexander Battery Technologies предлагает полностью индивидуализированные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов под ключ для поддержки ваших индивидуальных потребностей в блоках литий-ионных аккумуляторов.Более 40 лет мы уделяем особое внимание безопасности продукции, качественному дизайну и высококлассному производству. Наши специалисты по качественному дизайну и проектированию могут создать зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов, которые наилучшим образом соответствуют спецификациям аккумуляторных батарей OEM. Alexander Battery Technologies специализируется на предоставлении следующих готовых решений для наших литий-ионных зарядных устройств:

Точная, индивидуальная конструкция
Без оголенной проводки
Надежный, прочный и надежный
Максимальная емкость при минимальном времени зарядки
Интеллектуальный дизайн с SMBUS, I2C и собственными интерфейсами
Датчик уровня топлива
Индивидуальный мониторинг ячейки
Возможности аутентификации с шифрованием
Сертификаты безопасности (IEC / UL 62133, UL2054, IATA UN38.3 и другие по всему миру)

Безопасные и надежные индивидуальные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов

Мы работаем напрямую с вашей командой, чтобы разработать безопасные и надежные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов. Наши опытные инженеры обладают знаниями и ресурсами для изготовления зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов на заказ, которое предоставит решения для зарядки, основанные на уникальных технических характеристиках вашего индивидуального аккумуляторного блока.

Инновационная и специально разработанная промышленная литий-ионная технология

Наши зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов разработаны с учетом конкретных потребностей ваших литий-ионных аккумуляторов.Наши зарядные устройства специально разработаны с учетом мощности и функций, уникальных для вашей литий-ионной аккумуляторной батареи. Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации о том, как наши специальные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов могут удовлетворить потребности вашего литий-ионного аккумулятора в питании и поддержке.

Smart Charger — это зарегистрированная торговая марка ALEXANDER технология, которая использует эксклюзивные IP-интерфейсы, чтобы предоставить вашему индивидуальному аккумулятору наилучшую технологию зарядки.

Зарядные устройства для литий-ионных и никель-металлгидридных аккумуляторов, обеспечивающие повышенную безопасность шифрования

Литий-ионные и никель-металлгидридные аккумуляторные батареи

созданы для обеспечения уникальных преимуществ, адаптированных к конкретным требованиям вашего проекта.Когда мы производим наши зарядные устройства, те же индивидуальные преимущества также запрограммированы в IP-адрес зарядного устройства, обеспечивая совместимость, которая является исключительной для вашей аккумуляторной батареи и зарядного устройства. Этот тип шифрования защищает ваш литий-ионный аккумулятор от повреждений в результате использования стандартного или поддельного зарядного устройства.

Литий-ионный аккумулятор Химический состав и NiMh

Наши зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов и никель-металлгидридных аккумуляторов изготавливаются по индивидуальному заказу в соответствии с требованиями наших OEM-заказчиков к характеристикам, цене и надежности. Наши индивидуальные зарядные устройства могут быть разработаны для поддержки нескольких типов литий-ионных элементов, а также NiMh. Эти химические составы Li-Ion включают:

LiCo
LiNMC
LiMn
(LFP, LiFePO4)
Литий-полимерный

Настройте зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора сегодня

Если качество, интеллект и безопасность продукта — это элементы дизайна, которые описывают требования вашего проекта, тогда полностью настроенное интеллектуальное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов от Alexander Technologies — это то, что вам нужно.Наши интеллектуальные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов специально разработаны для обеспечения питания и интеллектуальных решений для ваших эксклюзивных литий-ионных аккумуляторных блоков. Узнайте о наших индивидуальных решениях для быстрого реагирования.

Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации о наших зарядных устройствах для литий-ионных аккумуляторов.

Может ли никель-кадмиевое зарядное устройство заряжать литий-ионные батареи? -Battery-knowledge

Ответ — нет.

Напряжение никель-кадмиевого аккумулятора 1,2 В, напряжение заряда литиевого аккумулятора 3.7 В, напряжение зарядки зарядного устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов составляет около 1,45 В, а для зарядного устройства для литиевых аккумуляторов — около 4,2 В. Использование никель-кадмиевого зарядного устройства для зарядки литиевой батареи не только не может зарядить батарею, но также может привести к чрезмерной разрядке литиевой батареи и повреждению батареи.

Никель-кадмиевый аккумулятор и литиевая батарея изготовлены из двух разных материалов с разным номинальным напряжением, принципом работы, зарядно-разрядными характеристиками и экологичностью. Для справки: Взаимозаменяемы ли никель-кадмиевые и литий-ионные батареи

Популярность литиевых батарей в наши дни невероятна.Литиевые батареи можно найти в iPod, КПК, ноутбуках и сотовых телефонах. Они довольно распространены, потому что являются одними из самых мощных перезаряжаемых батарей, доступных сегодня.

Постоянная способность этой батареи загораться — это особенность, которая в последнее время упоминается в новостях — это не обычная проблема с литиевыми батареями — на самом деле это происходит только у трех или четырех из миллиона литиевых батарей. Но когда это происходит, часто бывает смертельно опасно.

Тогда может возникнуть вопрос, что же делает эту батарею такой популярной и энергичной? Как они воспламеняются? Можно ли что-нибудь сделать, чтобы предотвратить проблему или продлить срок службы батареи?

Вот пара ответов на это:

· Литиевые батареи в основном легче, чем другие типы аккумуляторных батарей примерно того же размера.Литиевые батареи поставляются с легкими электродами из углерода и лития. Имейте в виду, что литий — элемент с высокой реакционной способностью; это означает, что его атомная связь может хранить много энергии. Это превращается в очень высокую плотность энергии для литиевых батарей.

· Литиевые батареи могут сохранять заряд. Только 5 процентов заряда теряется в литиевой батарее каждый месяц, в отличие от 20 процентов потерь, которые испытывают никель-металлгидридные батареи.

· Еще одна хорошая вещь в литиевых батареях — это способность выдерживать циклический заряд и разрядку.

· Литиевые батареи не имеют эффекта памяти. Это означает, что вам не нужно полностью разряжать аккумулятор перед его повторной зарядкой.

Это не означает, что литиевые батареи безупречны. У них есть свои подводные камни:

· Литиевые батареи очень чувствительны к температурам, особенно к высоким температурам. Литиевые батареи быстро разлагаются под воздействием тепла, чем обычно.

· Литиевые батареи начинают разлагаться, как только они покидают завод-изготовитель. Неважно, используется он или нет, часто срок его службы составляет два-три года с момента изготовления.

· Литиевая батарея полностью разряжается.

· Литиевые батареи несколько дороже, чем они есть сейчас, потому что для управления батареей требуется бортовой компьютер.

· Литиевая батарея может загореться в случае выхода из строя.

Могу ли я зарядить литиевую батарею с помощью зарядного устройства NiCad?

Что произойдет, если вы попытаетесь зарядить литиевый аккумулятор от никель-кадмиевого или никель-металлгидридного аккумулятора? Что ж, даже неспециалист посоветует этого не делать, потому что это очень опасно.Зарядка литиевых батарей с помощью никель-кадмиевого зарядного устройства может вызвать ненужные фейерверки, и если ваше имущество не застраховано, вы не захотите делать это дома.

В чем разница между зарядными устройствами для литиевых аккумуляторов и никель-кадмиевых аккумуляторов?

Литиевые батареи, также известные как литий-ионные батареи, часто меньше по размеру, не требуют серьезного обслуживания и считаются более безопасными для использования, чем никель-кадмиевые батареи. Считается, что никель-кадмиевые батареи вредны для окружающей среды, поэтому литий-ионные батареи используются чаще, чем никель-кадмиевые.Хотя они могут быть похожими, они оба отличаются по химическому составу, влиянию на окружающую среду, стоимости и даже применению.

Как правильно зарядить литий-ионный аккумулятор

Вы действительно можете продлить срок службы аккумулятора, если правильно зарядите его. Зарядка и разрядка аккумуляторов — это химическая реакция, но литий-ионные батареи считаются исключением. Эксперты по аккумуляторным батареям описывают энергию, поступающую в батарею и выходящую из нее, как часть движения ионов между катодом и анодом.

В некоторой степени это утверждение кажется верным, но если это так, то батарей хватит на вечность. В любом случае, ученые винят в угасании способность захвата ионов, но, как и в случае с другими батареями, дегенеративные эффекты, внутренняя коррозия и другие факторы, также известные как паразитные реакции на электродах и электролитах, по-прежнему играют роль.

Литиевое зарядное устройство — это устройство ограничения напряжения, которое имеет функции, аналогичные свинцово-кислотной системе. Отличие от лития основано на более высоком напряжении, более жестких допусках по напряжению и отсутствии плавающего или непрерывного заряда, когда он полностью заряжен.

Свинцово-кислотный может обеспечивать некоторую гибкость в отношении отключения напряжения; производители литий-ионных элементов строго придерживаются соответствующих настроек, поскольку литий-ионные аккумуляторы не переносят перезарядку. Так называемого «волшебного» зарядного устройства, обещающего пользователям более длительное время автономной работы, дополнительную емкость и другие рекламные ходы, не существует. Литий-ионный аккумулятор — это чистая аккумуляторная система, которая принимает только то, что может поглотить.

Когда ток падает до определенного уровня, литий-ионный аккумулятор считается полностью заряженным.В случае непрерывного заряда и падения напряжения некоторые литий-ионные зарядные устройства применяют дополнительную зарядку. Полный период составляет от 2 до 3 часов, а рекомендуемая скорость заряда энергетического элемента составляет около 0,5 ° C и 1 ° C.

Для продления срока службы аккумуляторов производители литий-ионных аккумуляторов рекомендуют зарядку ниже 1С. Температура литий-ионного аккумулятора может повыситься до 9 ° F (5 ° C) при приближении к полной зарядке. Это может произойти из-за повышенного внутреннего сопротивления. Если при нормальных условиях зарядки температура поднимается выше 18 ° F (10 ° C), вам необходимо прекратить использование зарядного устройства или литий-ионного аккумулятора.

Кроме того, не рекомендуется полностью заряжать литий-ионный аккумулятор, так как высокое напряжение вызывает нагрузку на аккумуляторы. Частичная или почти полная зарядка — это нормально для аккумулятора.

Для повышения производительности аккумулятора выключайте устройство во время зарядки и заряжайте устройство при нормальной температуре. НЕ заряжайте литий-ионные аккумуляторы при отрицательных температурах.

Перед тем, как убрать аккумулятор на хранение, зарядите его примерно до 40-50%.

Вы можете обратиться к нам по любым вопросам относительно аккумуляторов.

Способы зарядки литий-ионных аккумуляторов

Для большинства электронных устройств, работающих от аккумуляторов, выбирают литий-ионный аккумулятор. Узнайте, что нужно для их правильной зарядки.

Опубликовано 11 марта 2020 г. Джон Тил

Литий-ионный аккумулятор

— это аккумулятор, который чаще всего используется в бытовой электронике. Из других типов, которые использовались ранее, никель-кадмиевые батареи для использования в электронном оборудовании были запрещены в ЕС, поэтому общий спрос на эти типы упал.

Никель-металлогидридные батареи

все еще используются, но их более низкая удельная энергия и соотношение цены и качества делают их непривлекательными.

Работа и конструкция литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные батареи

считаются вторичными батареями , что означает, что они перезаряжаемые. Наиболее распространенный тип состоит из анода, сделанного из слоя графита, нанесенного на медную подложку, или токоприемника, и катода из покрытия из оксида лития-кобальта на алюминиевой подложке.

Сепаратор обычно представляет собой тонкую полиэтиленовую или полипропиленовую пленку, которая электрически разделяет два электрода, но позволяет переносить через нее ионы лития.Это расположение показано на рисунке 1.

Также используются различные другие типы анодных и катодных материалов, наиболее распространенные катоды обычно дают свои имена в соответствии с описанием типа батареи.

Таким образом, катодные элементы из оксида лития-кобальта известны как ячейки LCO. Типы оксида лития, никеля, марганца и кобальта называются типами NMC, а элементы с катодами из фосфата лития-железа известны как ячейки LFP.

Рисунок 1 — Основные компоненты типичного литий-ионного элемента

В реальном литий-ионном элементе эти слои обычно плотно скручены друг с другом, а электролита, хотя и жидкого, едва хватает для смачивания электродов, и внутри нет жидкости, плещущейся.

Это устройство показано на рисунке 2, который изображает реальную внутреннюю конструкцию призматической или прямоугольной металлической ячейки. Другими популярными типами корпусов являются цилиндрические и мешочные (обычно называемые полимерными ячейками).

На этом рисунке не показаны металлические выступы, прикрепленные к каждому токосъемнику. Эти выступы являются электрическими соединениями с батареей, в основном клеммами батареи.

Рисунок 2 — Типичная внутренняя конструкция призматического литий-ионного элемента

Зарядка литий-ионного элемента включает использование внешнего источника энергии для переноса положительно заряженных ионов лития от катода к анодному электроду.Таким образом, катод становится отрицательно заряженным, а анод — положительно заряженным.

Внешне зарядка включает движение электронов от анодной стороны к источнику заряда, и такое же количество электронов проталкивается в катод. Это направление противоположно внутреннему потоку ионов лития.

Во время разряда к клеммам аккумулятора подключается внешняя нагрузка. Ионы лития, которые накапливались в аноде, возвращаются на катод. Внешне это связано с движением электронов от катода к аноду.Таким образом, через нагрузку протекает электрический ток.

Вкратце, то, что происходит внутри элемента во время зарядки, например, заключается в том, что на стороне катода оксид лития-кобальта отдает часть своих ионов лития, превращаясь в соединение с меньшим содержанием лития, которое все еще остается химически стабильным.

Со стороны анода эти ионы лития внедряются или интеркалируются в межузельные пространства молекулярной решетки графита.

При зарядке и разрядке необходимо учитывать несколько моментов.Внутри литий-ионные ионы должны пересекать несколько границ раздела во время зарядки и разрядки. Например, во время зарядки ионы лития должны переноситься из объема катода на катод к границе раздела электролита.

Оттуда он должен пройти через электролит через сепаратор к границе раздела между электролитом и анодом. Наконец, он должен диффундировать от этой границы раздела к основной части анодного материала.

Скорость переноса заряда через каждую из этих различных сред определяется ее ионной подвижностью.На это, в свою очередь, влияют такие факторы, как температура и концентрация ионов.

На практике это означает, что во время зарядки и разрядки необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы гарантировать, что эти ограничения не будут превышены.

Зарядные устройства Li-ion

Литий-ионные зарядные устройства

можно разделить на две основные категории: линейные и переключаемые зарядные устройства. Оба типа могут соответствовать требованиям, указанным ранее в отношении правильной зарядки литий-ионных аккумуляторов. Однако у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Достоинством линейного зарядного устройства является его относительная простота. Однако главный его недостаток — неэффективность. Например, если напряжение питания составляет 5 В, напряжение аккумулятора составляет 3 В, а зарядный ток составляет 1 А, линейное зарядное устройство будет рассеивать 2 Вт.

Если это зарядное устройство встроено в продукт, необходимо отвести много тепла. Именно поэтому линейные зарядные устройства в основном используются в тех случаях, когда максимальный зарядный ток составляет около 1А.

Для больших аккумуляторов предпочтительны переключаемые зарядные устройства. В некоторых случаях они могут иметь КПД до 90%. Недостатками являются его более высокая стоимость и несколько большие требования к площади схемы из-за использования индукторов в ее конструкции.

Рассмотрение источника зарядки

Различные приложения могут использовать разные источники зарядки.Например, это может быть прямой адаптер переменного тока с выходом постоянного тока или блок питания. Это также может быть USB-порт от настольного компьютера или аналогичных устройств. Это также может быть сборка солнечных батарей.

Из-за возможности передачи энергии этими различными источниками необходимо дополнительно рассмотреть конструкцию реальной схемы зарядного устройства, помимо простого выбора линейного или переключаемого зарядного устройства.

Самый простой случай — это когда источник зарядки обеспечивает регулируемый выход постоянного тока, такой как адаптер переменного тока или блок питания.Единственное требование — выбрать зарядный ток, который не превышает максимальную скорость зарядки аккумулятора или мощность источника питания.

Зарядка от USB-источника требует немного большего внимания. Если порт USB относится к типу USB 2.0, он будет соответствовать стандарту зарядки аккумулятора USB 1.2 или BC 1.2.

Для этого требуется, чтобы любая нагрузка, в данном случае зарядное устройство, не потребляла более 100 мА, если только нагрузка не указана в источнике. В этом случае допускается принимать 500 мА при 5 В.

Если порт USB — USB 3.1, то он может следовать за USB BC1. 2, или в конструкцию может быть включена активная схема контроллера для согласования увеличения мощности по протоколу USB Power Delivery или USB PD.

Солнечные элементы в качестве источника зарядки представляют собой еще один набор проблем. Напряжение-ток солнечного элемента, или VI, чем-то похож на обычный диод. Обычный диод не будет проводить заметного тока ниже минимального значения прямого напряжения, а затем может пропускать гораздо больший ток при лишь небольшом увеличении прямого напряжения.

С другой стороны, солнечный элемент может подавать ток до определенного максимума при относительно ровном напряжении. При превышении этого значения тока напряжение резко падает.

Итак, солнечное зарядное устройство должно иметь схему управления питанием, которая модулирует ток, потребляемый от солнечного элемента, чтобы не вызывать слишком низкое выходное напряжение.

К счастью, существуют микросхемы, такие как TI BQ2407x, BQ24295 и другие, которые могут работать с одним или несколькими из перечисленных выше источников.

Настоятельно рекомендуется потратить время на поиск подходящего зарядного чипа, а не на разработку зарядного устройства с нуля.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатный PDF-файл : Ultimate Guide to Develop and Sell Your New Electronic Hardware Product . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который может вам понравиться:

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 литиевого покрытия, 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.

Abstract

Быстрая зарядка — ключевой фактор 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 приносит в жертву долговечность элементов. Здесь мы представляем управляемую структуру ячеек, чтобы избавиться от этого компромисса и обеспечить быструю зарядку без литиевого покрытия (LPF).Кроме того, элемент LPF обеспечивает унифицированную практику 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 базовым обычным элементом и эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль. Срок службы электромобиля в этих экстремальных условиях использования, т.е.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, что у электромобиля может закончиться заряд во время поездки с водителем, который остался в затруднительном положении, долгое время называли ключевой причиной, 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 у водителей есть 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) для развертывания 400 «сверхбыстрых» зарядных станций по всей Европе к 2020 году 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 для зарядки того же количества энергии при низких температурах 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 контролируемых ячеек 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 устраняет литиевое покрытие 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 обеспечивает интеллектуальное управление разделением тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры ячейки (ячейка T ). ( D ) Если элемент 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 ) Как только 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 ячеек 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 аккумулятор 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. Со структурой элемента 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 этих 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.Неизменной проблемой при исследовании материалов аккумуляторных батарей 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 убедиться, 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, приложение , 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 линейно зависит от температуры ( 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 C — E . Ключом к этой стратегии является интеллектуальное разделение входного тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры элемента (T _cell). 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 литиевого покрытия.

Для демонстрации быстрой зарядки LPF мы выбрали 9,5 Ач графитовых / NMC622 ячеек. 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 лития (LDP) в приложении SI, приложение , 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 благоприятна для устранения 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 основании 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 нагретой (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, была <45 ° C во время нагрева и быстро падала и достигала температуры поверхности около 27 ° C после 10-секундного периода покоя. что указывает на то, что быстрый нагрев не вызывает никаких опасений по поводу безопасности. После этого ячейка переключилась в режим заряда с использованием протокола постоянного тока и 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 напряжения ( A ) 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 через никелевые фольги, а ( F ) незначительный ток проходит через анодные материалы (без покрытия) на этапе нагрева. ( G ) Эволюция температуры поверхности и температуры Ni-фольги 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 медленном повышении температуры ( SI Приложение , рис. S6 C ) из-за ограниченной скорости тепловыделения. Максимальный зарядный ток составлял всего 0,85 C, и потребовалось 115 минут, чтобы достичь 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, не зависящая 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: ( i ) 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 фольги Ni 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 вне зависимости от температуры окружающей среды. ( A ) Кривые напряжения элемента LPF при различных температурах окружающей среды.Во всех испытаниях 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 как поверхности, так и Ni-фольги 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 похожи ( 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, чтобы снизить стоимость 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 помещая ее прямо в середину 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 материалами 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 для обеспечения истинного использования электромобилей в регионах и погодных условиях. -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. (Инжир.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 элемента 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 по времени напряжения во время релаксации ячейки после зарядки.Все элементы были заряжены током 3,5 ° C, ограниченным 4,2 В, пока они не достигли 80% SOC. Плато напряжения в C и локальный пик дифференциального напряжения в D базовой ячейки при 0 ° C указывают на отрыв металлического лития. ( E ) Сохранение емкости в зависимости от количества циклов для элемента LPF и циклическое изменение 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 Т _ячейка> 20 ° С 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, приложение , рис. S9 (один цикл) и в приложении SI, приложение , 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 дополнительно 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 показано 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, приложение , рис. S10 B , разрядная и охлаждающая части элемента LPF были ниже 22 ° C. Средняя температура ячейки LPF в 10 циклах, показанных в приложении 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 ~ 40-50 ° C.

Рис. 5 B дополнительно сравнивает скорость старения в четырех вышеупомянутых 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 ячеек> 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, приложение , рис. S2, увеличение с 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 элемент графит / LiCoO ₂ с анодом толщиной 77 мкм (1,6 × настоящей работы) потерял 30% емкости за 250 циклов с зарядкой 1 ° C при 25 ° C, но потерял 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 привело к сокращению срока 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 нагрев будет 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 состоит 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

Пакетные ячейки 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, залитых 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 ячеек, изготовлении, структуре и испытаниях можно найти в приложении SI , 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

Авторы: X.-G.Y., G.Z., and C.-Y.W. спланированное исследование; X.-G.Y., G.Z. и S.G. проводили исследования; X.