Особенности строения Li-ion-аккумуляторов и испытания перед коммерциализацией
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.