Особенности строения Li-ion-аккумуляторов и испытания перед коммерциализацией

№ 7’2014
PDF версия
В сравнении с другими химическими источниками тока Li-ion-аккумуляторы обладают значительным преимуществом. У них отсутствует эффект памяти, и они имеют более низкий уровень саморазряда в отличие от Ni-MH и Ni-Cad аккумуляторных батарей. Li-ion-аккумуляторы широко используются в качестве перезаряжаемых источников тока в современных электронных устройствах, таких как смартфоны и ноутбуки. В связи с повышенными требованиями к чистой энергии Li-ion-аккумуляторы становятся востребованы и популярны в электроавтомобилях.

Революцию в развитии перезаряжаемых литиевых аккумуляторов произвело сообщение о том, что в Японии разработаны аккумуляторы с отрицательным электродом из углеродных материалов. Углерод оказался весьма удобной матрицей для интеркаляции лития.

Цилиндрические Li-ion-аккумуляторы

Рис. 1. Цилиндрические Li-ion-аккумуляторы

Для того чтобы напряжение аккумулятора было достаточно большим, японские исследователи использовали в качестве активного материала положительного электрода оксиды кобальта. Потенциал литированного оксида кобальта составляет около 4 В относительно литиевого электрода, поэтому рабочее напряжение Li-ion-аккумулятора имеет характерное значение 3 В и выше.

С быстрым ростом производства литий-ионного аккумулятора увеличились и требования к испытательному оборудованию, используемому в процессе его изготовления.

 

Основные функции испытательного оборудования Li-ion-аккумулятора

Формирование и сортировка

Как только аккумулятор собран, он должен пройти по крайней мере один контролируемый цикл зарядки/разряда, чтобы активировать рабочие материалы. Производитель также использует этот процесс для сортировки ХИТ в разные группы — по производительности и в соответствии с их классификацией.

Циклические испытания и определение параметров

Тестирование на многократные циклы заряда и разряда отдельных аккумуляторов и их блоков обеспечивает надежность в их эксплуатации. Очень важную роль играет определение параметров измерений аккумулятора и их регистрация. Как правило, на проведение обоих тестов уходит больше одного дня, и для это выбирают только некоторые образцы.

Испытание на соответствие техническим условиям и на работоспособность

Перед поставкой на потребительский рынок каждый элемент проходит тест на функционал, чтобы проверить исправность и бесперебойность работы всех аккумуляторов.

 

Конструктивные решения и проблемы

Время проведения испытаний играет важную роль в обеспечении более высокой пропускной способности Li-ion-аккумуляторов в процессе их производства. Как правило, время, затрачиваемое на их формирование, составляет от двух до пяти часов, которое не может быть сокращенно из-за природы используемых материалов. Соответственно, испытательные системы имеют много каналов, способных параллельно работать с большим количеством аккумуляторов, увеличивая пропускную способность.

Благодаря высокой емкости Li-ion-аккумуляторов необходимы высокие токи заряда, и потребление энергии системы испытания может быть высоким, а это значит, что первичная задача системы заключается в повышении эффективности применения энергии. Вот почему в последнее время наблюдается тенденция в замене традиционных линейных тестеров. Кроме того, продвинутые системы тестирования и анализа оснащены функцией повторного использования энергии.

Вторая задача тестеров — производить более точный цикл и тонкое управление заряда/разряда.

И заключительный этап — снижение стоимости систем тестирования без ущерба для их точности. В качестве примера назовем анализаторы аккумуляторов разных типов, удовлетворяющие всем выше указанным требованиям, которые выпускает американская компания MTI (рис. 2), специализирующаяся и на изготовлении такого испытательного оборудования, как камеры на короткое замыкание, системы испытания на разрушение и игольчатое проникновение, вакуумные и климатические испытательные камеры, гравитационные и вибрационные системы и т. д.

16-канальный анализатор с функцией измерения внутреннего сопротивления аккумулятора — MTI BST8-16-10V2A-IR

Рис. 2. 16-канальный анализатор с функцией измерения внутреннего сопротивления аккумулятора — MTI BST8-16-10V2A-IR

На рис. 3 представлена система на принудительное внутреннее короткое замыкание MSK-ISC. При тестировании происходит предельно быстрый разряд аккумулятора, процесс сопровождается большим количеством выделения тепловой энергии, со стремительным перегревом источника питания в результате интенсивных химических реакций газов. Температура и давление внутри батареи быстро повышаются, что может привести к нарушению ее герметичности. Для литиевых аккумуляторов перегрев и предельный разряд губителен.

Система испытания на КЗ

Рис. 3. Система испытания на КЗ

Помимо оборудования для производства также существуют системы тестирования Li-ion-аккумуляторов разных типов, топливных элементов, суперконденсаторов и аккумуляторных модулей (рис. 4). Данные системы выполняют испытания на продолжительность эксплуатации, установление классификации, тесты на перегруз и разряд, импульс-тесты, гибридный импульсный тест на характеристику мощности, основная цель которого — установка функциональности в зависимости от глубины разряда.

Система тестирования Li-ion-аккумуляторов

Рис. 4. Система тестирования Li-ion-аккумуляторов:
а) цилиндрически;
б) плоских

Значительную роль в широкой линии испытательного оборудования играют и системы измерения импеданса, ведущим изготовителем которых является японская компания ESPEC (рис. 5), способная производить измерения и анализ нескольких аккумуляторов одновременно, в различных температурных средах.

Система измерения импеданса

Рис. 5. Система измерения импеданса

В таблице представлены Li-ion-аккумуляторы ведущих производителей типичной продукции, используемой в портативных устройствах разного рода. В типоразмере цилиндрических аккумуляторов (таблица) две первые цифры дают информацию об их диаметре (в мм, только целая часть), последние три — о высоте (в десятых мм). Размеры призматических аккумуляторов у разных производителей различаются значительно.

Таблица. Цилиндрические Li-ion-аккумуляторы

Типо-размер

Емкость аккумуляторов, мА·ч

Масса, г

SONY

SANYO

PANASONIC

GP

14430

570

16

14500

680

650

19

14650

780

940

26

17500

830

25

17670

1450–1550

1250

1280

35

18500

1180

1100–1300

1230–1330

32

18650

1500–1950

1700–1800

1500–2150

1730–2200

43

26650*

2800

83

Примечание. * Анод угольный, в остальных аккумуляторах анод графитовый.

 

Процессы на отрицательном электроде Li-ion-аккумулятора

Во всех Li-ion-аккумуляторах, доведенных до коммерциализации, отрицательный электрод изготавливается из углеродных материалов. Интеркаляция лития в углеродные материалы представляет собой сложный процесс, механизм и кинетика которого в существенной степени зависят от природы углеродного материала и природы электролита.

При внедрении ионы лития раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур (рис. 6). Удельный объем углеродных материалов в процессе интеркаляции ионов лития меняется незначительно.

Процесс интеркаляции

Рис. 6. Процесс интеркаляции

 

Процессы на положительном электроде Li-ion-аккумулятора

Положительные электроды Li-ion-аккумуляторов создаются исключительно из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

В настоящее время в качестве катодных материалов все чаще применяются материалы на основе смешанных оксидов или фосфатов. Показано, что с катодами из смешанных оксидов достигаются наилучшие характеристики аккумулятора. Осваиваются и технологии покрытий поверхности катодов тонкодисперсными оксидами.

При заряде Li-ion-аккумуляторов ориентируются на напряжение аккумулятора (рис. 7). В настоящее время Li-ion-элементы можно заряжать до напряжения 4,2 В. Допустимое отклонение напряжения составляет лишь около ±0,05 В на элемент.

Зависимость напряжения и тока от времени при заряде Li-ion-аккумулятора

Рис. 7. Зависимость напряжения и тока от времени при заряде Li-ion-аккумулятора

Рассмотрим стандартный процесс заряда Li-ion-аккумулятора:

  • Этап 1 — через аккумулятор протекает максимально допустимый ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения.
  • Этап 2 — максимальное напряжение на аккумуляторе достигнуто, ток заряда постепенно снижается до тех пор, пока он полностью не зарядится. Момент завершения заряда наступает, когда величина тока заряда снизится до значения 3% от начального.
  • Этап 3 — периодический компенсирующий заряд, проводящийся при хранении аккумулятора, ориентировочно через каждые 500 ч хранения.

Что касается герметизации литиевых аккумуляторов, к ней предъявляются повышенные требования, поскольку должна быть исключена вероятность не только вытекания электролита, но и попадания внутрь воздуха и паров воды, из-за чего возникает угроза пожара. Высокая реактивность лития, воздействие влажности воздуха на состояние электродов и электролита определяют и повышенные сложности при производстве элементов, необходимость проведения технологических действий в герметичных боксах с атмосферой аргона (рис. 8) и «сухих» помещениях.

Литиевые элементы, цилиндрические и дисковые, производятся в габаритах элементов традиционных электрохимических систем. Поэтому нужно быть внимательным, чтобы не допускать ошибок случайных замен элементов с рабочим напряжением 1,5 В на литиевые, напряжение которых значительно выше. Многие компании часто стараются уменьшить эту опасность и поставляют элементы с приваренными нестандартными выводами в виде плоских лепестков, аксиальных иглообразных штырьков для впаивания элементов в схему и т. п.

Перчаточный бокс MTI

Рис. 8. Перчаточный бокс MTI

Li-ion-аккумуляторы применяются вместе с Battery Management and Monitoring Systems (BMS) — системой контроля и управления батареей (СКУ) — это электронное устройство, которым обязательно оснащена аккумуляторная батарея.

Функции контроля:

  • Напряжение: пиковое, отдельных элементов.
  • Температура элементов: средняя, минимальная, максимальная.
  • Уровень заряда батареи.
  • Состояние батареи: износ, вероятность выхода из строя аккумулятора.
  • Количество циклов заряд/разряд.

Защита от:

  • Перегрева.
  • Переохлаждения.
  • Перезаряда (отключит подачу напряжения при полном заряде).
  • Переразряда (при глубоком разряде, BMS не позволит батарее зарядиться).
  • Увеличения внутреннего давления.

Схема защиты батареи (контроллер) необходима главным образом для того, чтобы предостеречь ее от перезаряда и перегрева.

Данная система применяется, чтобы обеспечить максимальный срок жизни таким батареям, ограничивая ток заряда сверху на уровне 95%, и разряда на 15–20%, иначе, если Li-ion-аккумулятор будет полностью разряжен, он потеряет возможность опять зарядиться при подключении номинального зарядного напряжения. Эту проблему можно решить путем приложения импульса напряжения, которое является более высоким по сравнению с номинальным зарядным. Но подобный метод очень сильно сказывается на дальнейших характеристиках Li-ion-батарей — то есть эта система предотвращает перезарядку и перегрев вследствие интенсивного заряда.

Литиевые аккумуляторы, по крайней мере часть из них, не боятся низких температур при разряде, но при этом у них снижается выходное напряжение, что приводит к более раннему отключению потребителей. Вот почему перед работой желательно каким-либо образом согревать аккумуляторы.

При долговременном хранении рекомендуется:

  • хранить в сухом месте при температуре, не превышающей +30 °С;
  • при долговременном хранении заряд в аккумуляторе должен быть около (30±15)% от максимального.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *