литиевых батарей на морозе: руководство.
Мать-природа щелкает выключателем.
Там, где я живу в северной части Среднего Запада США, нам необыкновенно повезло с продолжительным теплым осенним сезоном. В начале ноября мы все еще наблюдали максимумы выше 70F (21C). Я сгребал листья в шортах и футболке! Но аааа да, все знали, что удача не продлится долго. Буквально за несколько часов температура упала до 30 (1С). Скорее всего, мы не увидим 70 до следующей весны. Пришло время обсудить, как низкие температуры влияют на литиевые батареи и что вы можете сделать, чтобы смягчить негативные последствия.
Различные батареи, тот же эффект.
Существует несколько типов литиевых батарей. Внутренняя химия у разных типов различается, но все они более или менее действуют одинаково при перепадах температуры. Для простоты я буду использовать общий термин «литиевая батарея» для обозначения всех вариантов.
По мере охлаждения литиевой батареи химический процесс, в результате которого вырабатывается электричество, замедляется, а внутреннее сопротивление батареи увеличивается.
Это приводит к меньшей емкости и более длительному и более частому времени зарядки.
Чтобы было ясно, даже с этими недостатками литиевые батареи по-прежнему значительно превосходят своих обычных собратьев. Например, при температуре 0°F (-17°C) литиевая батарея по-прежнему будет сохранять более 90% своей емкости, в то время как герметичная свинцово-кислотная батарея (SLA) будет иметь только 45% емкости. Потеря более половины заряда батареи SLA исключительно из-за холода — это огромный дефицит, который трудно восполнить.
«Волшебное окно».
Существует диапазон температур, при которых литиевые батареи предпочтительны для правильной работы. Важно знать, что диапазоны температур заряда и разряда не совпадают.
Изучая данные о диапазонах рабочих температур, я обнаружил, что цифры немного различаются в разных справочных источниках. Как правило, литиевую батарею можно безопасно разряжать при температуре от -4F (-20C) до +135F (57C). Я нашел в Интернете другие спецификации, которые расширяют эти пределы до -14F (-25C) и +165F (73C).
В любом случае, это очень широкий диапазон, особенно на высоких частотах. Эти параметры должны работать практически для любого любителя, работающего вне сети.
ГРАФИКА ПРЕДОСТАВЛЕНА LITHIUMBATTERYTECH.COM
Зарядка литиевой батареи — другое дело. Окно намного уже, и данные были согласованы из нескольких источников. Никогда не следует заряжать литиевые батареи, если они выше 122F (50C) или ниже 32F (0C). Хотя этот верхний предел 122F звучит щедро, это вполне возможно для закрытого автомобиля в жаркий день. На нижнем уровне 32F несколько ограничивает.
Технологии больше всего думают за нас.
К счастью, нет необходимости следить за температурой батареи или слишком о чем-то беспокоиться. Литиевые батареи имеют встроенную систему управления батареями (BMS). BMS представляет собой микропроцессорный комплекс, выполняющий несколько важных функций: Защита от перезаряда, чрезмерного разряда и перегрузки по току. Он также управляет балансировкой ячеек, предотвращает повреждение от коротких замыканий и чрезмерных температур.
Если вы попытаетесь зарядить аккумулятор, который слишком горячий или слишком холодный, BMS не допустит этого.
Несколько зим назад я пытался зарядить несколько литиевых аккумуляторов для электроинструментов, которые оставил на ночь в своем грузовике. Когда я поставил их на зарядное устройство, я получил сообщение об ошибке. Батареи были слишком холодными, и BMS сказала «ни за что!» После прогрева в помещении в течение получаса или около того сообщение об ошибке исчезло, и BMS позволила батареям зарядиться.
Важное примечание: не все системы BMS имеют все функции. Как минимум, они должны заниматься балансировкой ячеек, зарядкой и защитой от коротких замыканий. Другие функции могут быть включены или не включены. Системы BMS следующего поколения не за горами. Они предоставят очень подробные данные о характеристиках и производительности батареи в режиме реального времени. В настоящее время передовые системы BMS используются в основном в электромобилях и промышленных приложениях; будем надеяться, что технология скоро перейдет на меньшие батареи для любителей.
Технология делает литиевые батареи устройством, которое можно «установить и забыть». Единственное необходимое техническое обслуживание — содержать клеммы в чистоте и герметичности, а также заряжать их не реже одного раза в несколько месяцев. Пока они не подвергаются физическому насилию и работают в соответствии с проектными параметрами, они будут работать без сбоев в течение длительного времени.
Продолжать работать, когда температура падает.
Есть несколько способов уберечь литиевые батареи от мороза или, по крайней мере, смягчить его последствия. Имейте в виду, что температурные пределы относятся к внутренней температуре батареи, которая не обязательно совпадает с температурой окружающего воздуха.
Для небольших аккумуляторов запасная часть, заправленная в нагрудный карман куртки, должна обеспечить достаточное количество тепла для тела, чтобы поддерживать аккумулятор в рабочем состоянии. Если у вас есть доступ к отапливаемой палатке, трейлеру или другому укрытию, этого должно быть достаточно.
Автомобиль, припаркованный на солнце, является отличным источником тепла.
Предположим, вы не можете согреть свои литиевые батареи, например, в портативном радио. Хорошей новостью является то, что вы все еще можете использовать аккумуляторы при температуре до -14F (-25C). Как мы уже говорили, они будут иметь уменьшенную емкость, но вы не повредите их. Плохая новость заключается в том, что вы не можете заряжать батареи до тех пор, пока они не будут доведены до температуры не менее 32F (0C). Это оставляет вас в сложной ситуации. Вам придется чаще менять батареи из-за уменьшения емкости, но вы не сможете заряжать батареи, если они слишком холодные. Единственное решение — носить с собой достаточное количество дополнительных аккумуляторов, которые уже заряжены.
Другим фактором является срок службы литиевой батареи. Они хороши для конечного числа циклов заряда. Если вы заряжаете их чаще из-за снижения емкости на морозе, то вы быстрее израсходуете свои циклы зарядки. Это не так уж важно, если вы работаете на морозе только изредка, но если вы регулярно участвуете в зимних работах на открытом воздухе, ожидайте замены батарей раньше, чем вы могли бы ожидать в противном случае, если вы не можете найти способ уберечь их от холода.
.
Мы в эпоху Возрождения.
Нам повезло, что мы живем во времена, когда аккумуляторы переживают своего рода ренессанс. В течение десятилетий не было много инноваций. Любителям традиционно приходилось жить с никель-кадмиевыми, никель-металлогидридными и различными формами герметичных свинцовых аккумуляторов. Конечно, мы не можем игнорировать аккумуляторы с жидкостными элементами, которые имеются в продаже уже более 100 лет. Все эти аккумуляторы, хотя и очень хороши в свое время, даже близко не приближаются к характеристикам литиевых. Когда устаревшие батареи остывают, их недостатки по сравнению с литием становятся еще более серьезными.
Обладая некоторыми базовыми знаниями о том, как работают литиевые батареи и как они ведут себя в холодную погоду, радиолюбители могут работать зимой без особых проблем с батареями.
Нравится:
Нравится Загрузка…
Почему литий-ионные аккумуляторы со временем деградируют?
Беатрис Браунинг, научный сотрудник Института Фарадея, объясняет, почему литий-ионные батареи со временем ухудшаются, и описывает, что делается для продления срока их службы.
Литий-ионные батареи (LiB) — это перезаряжаемые батареи, используемые в различных портативных электронных устройствах, включая телефоны, ноутбуки и, что особенно важно, электромобили (EV).
Значительный срок службы батареи необходим для того, чтобы электромобили считались лучше обычных автомобилей с бензиновыми/дизельными двигателями. Предпочтительно, чтобы срок службы аккумуляторной батареи электромобиля был как минимум сравним со сроком службы самого транспортного средства, и многие производители аккумуляторных батарей стараются замедлить деградацию аккумуляторной батареи, чтобы гарантировать, что это так.
Владельцы смартфонов и ноутбуков знают, что им требуется более частая зарядка по мере старения и износа аккумуляторов, но точное понимание того, почему это происходит, требует базового понимания того, как работают LiB.
Как следует из названия, LiB работают за счет движения ионов лития. Во время заряда и разряда эти ионы лития перемещаются через электролит между двумя электродами; известны как катод и анод.
Катод обычно состоит из слоистого материала с высоким содержанием лития, в котором ионы лития (Li-ионы) располагаются между слоями. Анод также представляет собой слоистый материал, который принимает ионы лития от катода и обычно представляет собой графит в LiB. Ионы лития перемещаются от одного электрода к другому через проводящую среду, известную как электролит.
Когда вы заряжаете LiB, ионы Li, хранящиеся в катоде, проходят через электролит к аноду, производя энергию для питания электронного устройства.
При использовании устройства с питанием от LiB батарея разряжается, и ионы Li перемещаются от анода через электролит, чтобы вернуться к катоду. Емкость LiB относится к максимальному количеству энергии, которое он может предоставить устройству от этого литий-ионного челнока.
Циклы зарядки и срок службы
Под циклом зарядки аккумулятора понимается полный разряд и перезарядка аккумулятора: разрядка аккумулятора до 0 % и его зарядка до 100 % равны одному циклу заряда аккумулятора.
Цикл зарядки также можно завершить, используя 50 % аккумулятора, зарядив его до 100 %, а затем повторив эту процедуру.
Чем больше циклов выполнила батарея, тем больше она изнашивается, что сокращает срок ее службы.
Объяснение этому кроется в химическом составе LiB, поскольку существует множество химических механизмов, посредством которых эти батареи разлагаются.
Одним из примеров является потеря мобильных литий-ионных аккумуляторов. Они часто теряются из-за побочных реакций, происходящих с электролитом, с образованием соединений, которые «улавливают» свободный литий, уменьшая количество ионов лития, которые могут перемещаться между электродами. Потеря подвижных ионов снижает максимальную емкость батареи.
Срок службы батареи может сократиться, если структура электрода повреждена из-за структурного беспорядка. Структурный беспорядок может возникнуть во время циклирования в результате движения ионов лития в электроды и из них.
Это может уменьшить количество ионов лития, которые электрод может принять в свою структуру, истощая емкость LiB.
Температура и срок службы батареи — распространенное заблуждение
Распространенное заблуждение о LiB состоит в том, что низкие температуры сокращают срок их службы.
Это связано с наблюдением, что смартфоны быстрее «умирают» при низких температурах, но на самом деле это не оказывает разрушительного влияния на общий срок службы батареи.
Низкие температуры существенно замедляют перемещение ионов лития между электродами.
Это означает, что при использовании смартфона на морозе ток, вырабатываемый LiB, настолько низок, что он не успевает за спросом, и телефон резко умирает. Когда он в конечном итоге нагревается до температуры окружающей среды, аккумулятор снова работает нормально без каких-либо серьезных повреждений, что позволяет использовать телефон в обычном режиме.
Срок службы LiB фактически уменьшается при высоких температурах. Это связано с тем, что электролит, который находится между электродами, разрушается при повышенных температурах, в результате чего батарея теряет способность к литий-ионному транспорту.
Перезарядка и непрерывная зарядка LiB
Перезарядка литий-ионной батареи относится к процессу подачи тока в полностью заряженную батарею, что может привести к ее перегреву и возможному возгоранию.
Причина, по которой телефон/ноутбук можно оставлять подключенным к сети, несмотря на то, что они полностью заряжены, заключается в том, что производители аккумуляторов предусмотрели меры защиты, предотвращающие перезарядку LiB.
LiB перестанет потреблять ток от зарядного устройства, когда батарея устройства будет заряжена на 100 %, благодаря системам управления батареями и чипам защиты, которые запрограммированы в устройствах.
Несмотря на меры по предотвращению перезарядки, оставление устройства с питанием от LiB подключенным к сети на ночь по-прежнему снижает срок службы батареи из-за явления, известного как непрерывная зарядка.
Непрерывная зарядка представляет собой процесс, при котором аккумулятор постоянно заряжается до 100 % каждый раз, когда в устройстве возникают неизбежные потери заряда.
Это восстановление между 100% и чуть менее 100% заряда может повысить внутреннюю температуру LiB, уменьшая емкость батареи и срок ее службы.
Литий-ионные батареи, по сути, постоянно разлагаются с момента их первого использования.
Это результат фундаментального химического состава батареи, который приводит к неизбежным химическим реакциям, протекающим внутри батареи во время работы.
Эти реакции мешают батарее поддерживать полную емкость в течение всего срока службы, и их устранение является сложной и сложной задачей. Производители LiB стремятся увеличить срок службы батарей с помощью различных методов.
Примеры методов усовершенствования аккумуляторов включают структурное усиление материалов электродов посредством катионного легирования (когда катионы добавляются во время синтеза электрода для стабилизации материала) или введение добавок в электролит, и это лишь некоторые из них.
Необходимы постоянные исследования LiB; Поскольку спрос на автомобили с литий-ионным двигателем растет, потребность в более длительном сроке службы аккумуляторов имеет жизненно важное значение для обеспечения долговечности электромобилей по сравнению с их конкурентами, работающими на ископаемом топливе.