Jak można w pełni naładować akumulator litowo-jonowy w 35 minut?

Zdarza mi się posiadać wiertarko-wkrętarkę, która działa na akumulatorze Li-Ion i jest dostarczana z ładowarką, która ładuje ją w pełni w 35 minut i twierdzi, że ładuje ją do 70% w 15 minut.

Zgodnie z odpowiedziami na to pytanie najwyższy prąd ładowania akumulatorów litowo-jonowych wynosi około 1C, co przy uwzględnieniu strat oznacza, że ​​czas ładowania powinien wynosić co najmniej ponad godzinę. Jest to zgodne z moim doświadczeniem w korzystaniu z innych urządzeń, takich jak telefony komórkowe - pełne naładowanie zajmuje około 1,5 godziny.

Jak zatem możliwe jest naładowanie akumulatora litowo-jonowego w około 35 minut?

Jak to jest możliwe? Każdy producent akumulatorów Li pod słońcem chce tworzyć szybko ładowalne akumulatory, więc jest to gorący temat badawczy.

Ten artykuł z 2007 roku rzuca nieco światła na temat elementów wewnętrznych szybko ładujących się ogniw LiIon:

Nie ma standardowej definicji dla ogniw o dużej szybkości drenażu, ale podstawowe wytyczne projektowe dyktują, że standardowe ogniwa na bazie tlenku kobaltu mogą obsługiwać prąd ciągły o temperaturze 2 ° C lub może 3 ° C. Ogniwa wysokowydajne na bazie tlenku kobaltu z grubsza podwajają te prądy, ale tylko przez kilka sekund. Nowe ogniwa o wysokim przepływie obsługują ciągłą temperaturę 20 C.

Biorąc pod uwagę, że ogniwo o wysokiej szybkości rozładowania może wspierać wyładowania wysokoprądowe w bardzo krótkim czasie, teoretycznie ładowarka akumulatorów może w pełni naładować to ogniwo w równie krótkim czasie. Aby jednak skorzystać z tej możliwości, należy zmodyfikować konwencjonalną konstrukcję ładowarki. Dla uproszczenia zmiany te można zilustrować na przykładzie ładowarki jednokomorowej obsługującej akumulator jednokomorowy.

Charakterystyka komórki

Na powierzchni szybko ładujące się ogniwa litowo-jonowe wydają się proste. Wydaje się, że można po prostu zwiększyć prąd dostarczany podczas fazy prądu stałego cyklu ładowania. Jednak, jak pokazano w tabeli, całkowity czas ładowania nie ulega znacznemu skróceniu, gdy prąd jest zwiększany z 1 ° C do wyższych stawek.

Różnica czasu ładowania przy stawce 2-C w porównaniu do stawki 3-C wynosi tylko około jednej minuty, niezależnie od dostawcy ogniwa. Zasadniczo ogniwa po prostu szybciej osiągną odcięcie górnego napięcia, ale czas w trybie ładowania stałym napięciem będzie znacznie dłuższy. Oczywiście zwiększa to ryzyko uszkodzenia akumulatora w wyniku przepięcia. Odporność tradycyjnych ogniw litowo-jonowych spowoduje, że będą one bardziej się nagrzewać podczas szybszych ładowań, więc ogniwa zaczną się rozkładać. Szybkie ładowanie znacznie skraca cykl życia baterii.

Zaprojektowanie ogniwa, które będzie w stanie pomieścić wysokie wyładowania i wysokie ładunki, jest próbą zmniejszenia długości ścieżki i oporności do transportu jonów i elektronów. Ryc. 1 pokazuje przekrój typowego cylindrycznego ogniwa litowo-jonowego. Zmiany rozpoczynają się od aktywnych materiałów baterii. Tradycyjne ogniwa litowo-jonowe są oparte na związku katody litowo-kobaltowo-tlenkowej (LiCoO2). W tym materiale jony Li, które dyfundują do i z katody, mogą być wprowadzane jedynie ścieżkami 2D w strukturze kryształu.

Długość ścieżki można skrócić, zmieniając fizyczną morfologię aktywnego materiału baterii lub zmieniając strukturę chemiczną materiału, lub wykonując obie te czynności. Jednym z podejść do fizycznego rozwiązania problemu jest zmniejszenie wielkości cząstek materiałów do tak małych, jak nano-skala. Nowe substancje chemiczne, takie jak spinel manganu (LiMn2O4), oferują ścieżki 3D do wprowadzania jonów.

Oprócz tych zmian należy obniżyć rezystancję ogniw poprzez zastosowanie cienkich materiałów, zwiększenie ilości kolektorów prądu oraz zwiększenie stężenia elektrolitu i zmniejszenie jego lepkości za pomocą rozpuszczalników. Wiele z tych zmian sugeruje, że ogniwa litowo-polimerowe, które mogą być bardzo cienkie, nadają się do zastosowania przy projektowaniu z dużą szybkością.

Producenci ogniw litowo-jonowych eksperymentują ze swoimi recepturami w celu wdrożenia projektów specyficznych dla aplikacji o wysokiej prędkości. Kilku producentów wymyśliło rozwiązania. Firma E-One Moli Energy wprowadziła ogniwo o wysokiej szybkości rozładowania oparte na materiale katodowo-spinelowo-manganowym do elektronarzędzi bezprzewodowych.

Łatwo jest sprawić, że akumulator litowo-jonowy wydaje się naładowany w mniej niż godzinę, mimo że tak naprawdę nie jest. Po osiągnięciu pożądanego napięcia ładowania (pierwsza przerywana linia pionowa) ogniwo nadal przyjmuje prąd i może być ładowane dalej. Jeśli ten krok zostanie pominięty, ogniwo pojawi się w pełni naładowane, jeśli zostanie zmierzone bezpośrednio po naładowaniu, ale napięcie znacznie spadnie później.

Niektóre tańsze ładowarki konsumenckie mogą korzystać z uproszczonej metody „ładuj i uruchom”, która ładuje akumulator litowo-jonowy w ciągu godziny lub krócej bez przechodzenia do poziomu nasycenia na etapie 2. „Gotowy” pojawia się, gdy akumulator osiąga próg napięcia na etapie 1. Ponieważ stan naładowania (SoC) w tym momencie wynosi tylko około 85 procent, użytkownik może narzekać na krótki czas działania, nie wiedząc, że winna jest ładowarka . Z tego powodu wymienianych jest wiele baterii gwarancyjnych, a zjawisko to jest szczególnie powszechne w branży komórkowej.

Aby dowiedzieć się, czy tak jest w przypadku ładowarki, zmierz napięcie i prąd w czasie podczas ładowania i porównaj swoje pomiary z powyższym schematem. Jeśli podasz te dane, powinno być jasne, co się właściwie dzieje. Obecnie nie mamy żadnych danych oprócz roszczeń ładowarki, więc każda odpowiedź będzie spekulacyjna.

Aby uzyskać więcej informacji zobacz:

http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries

Zdarza mi się posiadać wiertarko-wkrętarkę, która działa na akumulatorze Li-Ion i jest dostarczana z ładowarką, która ładuje ją w pełni w 35 minut i twierdzi, że ładuje ją do 70% w 15 minut.

Zgodnie z odpowiedziami na to pytanie najwyższy prąd ładowania akumulatorów litowo-jonowych wynosi około 1C, co przy uwzględnieniu strat oznacza, że ​​czas ładowania powinien wynosić co najmniej ponad godzinę. Jest to zgodne z moim doświadczeniem w korzystaniu z innych urządzeń, takich jak telefony komórkowe - pełne naładowanie zajmuje około 1,5 godziny.

Jak zatem możliwe jest naładowanie akumulatora litowo-jonowego w około 35 minut?

Długą odpowiedź napisałem na poprzednie pytanie.
Twoja wiertarka i ładowarka prawdopodobnie łączą kilka aspektów, które tam opisałem, które mogłyby umożliwić szybkie lub pozornie szybkie ładowanie.

Po pierwsze powiedziałem:

• Akumulatory LiIon można bezpiecznie (wystarczająco) ładować w tempie zalecanym przez ich producentów. Szybszy może być możliwy i może być „bezpieczny”, ale wszystkie gwarancje są wyłączone, a krótsza żywotność lub natychmiastowa bardzo krótka żywotność są zdecydowanymi opcjami.

i

• Standardowa specyfikacja to maksymalne obciążenie 1C.

Oznacza to, że praktyką branżową jest ładowanie w maksymalnej temperaturze 1C, ALE poszczególni producenci mogą przekraczać limity. Kwestie te są termiczne, mechaniczne i chemiczne (przynajmniej). Jak już powiedziałem - może to spowodować zmniejszenie żywotności baterii.

Powiedziałem też

• Istnieją nowe substancje chemiczne na bazie litu i nowe układy mechaniczne, które pozwalają na szybsze ładowanie ogniw na bazie litu. Jeśli producent twierdzi, że tak jest, może tak być. Widziałem pozornie standardowe ogniwa LiIon z ładunkami 2C, ale normą jest maksymalnie 1C. (patrz wyżej)

To jest właśnie to, co zgłaszasz - jest całkowicie zgodne z wcześniejszą odpowiedzią - po prostu nie jest standardem branżowym i sugeruje, że możesz uzyskać krótki cykl życia lub niższą niż oczekiwano wydajność.

ALE

Głównym powodem może być fakt, że producent w rzeczywistości przedłuża żywotność ogniwa, oceniając ogniwo na pojemność niższą niż standardowa i nie ładując go w pełni. Jeśli oceniają go na około 60% rzeczywistych, to:

Załóżmy, że pełna pojemność wynosi 1 Ah, aby uprościć obliczenia. Każda pojemność daje takie same wyniki.

60% pojemności = 0,6 Ah.

Ładuj przy stałej 1C = 1A.

Czas do osiągnięcia 0,6 ° C przy szybkości 1 ° C = 0,6 godziny = 40 minut (twierdzono 35)

Czas do osiągnięcia 70% = 0,7 x 0,6 x 60 minut = 25 minut (twierdzono 15)

Więc odważmy się i ładujmy w 1,6 ° C przez pierwsze 15 minut, gdy pojemność jest niska. Na tym poziomie napięcie delta między Vin i Vcell jest mniejsze, a straty ciepła są mniejsze. Jeśli zarządzamy wydajnością 70% w 15 minut, musimy dodać 30% w (35-20) = 15 minut. 15m to 15/35 = 43% całkowitego 35-minutowego czasu ładowania, ale musimy dodać tylko 30% ładunku, aby stawka poniżej 1C była akceptowalna dla jego ostatniej części.

W praktyce prawdopodobnie stosuje się pewną kombinację powyższych

• Obniż wartość baterii, aby powiedzieć, że 75% do 80% pełnej możliwej pojemności.

• Naładuj w> 1C przez pierwsze 70% prądu zwężającego się pod ładowarką, a nie kontroli akumulatora, więc spada poniżej 1C przy powiedzmy 70% pojemności akumulatora. Akumulator jest zatem ładowany mocno, gdy ma małą pojemność i zmniejsza się wraz z poziomem naładowania, i nigdy nie jest napełniany. Efektem końcowym może być również wydłużony cykl życia.

Lub mogą zrobić coś zupełnie innego :-).

Jednym ze sposobów skrócenia czasu ładowania jest poprawa chemii komórki w celu zmniejszenia ESR, ale oczywiście dopasowanie komórek staje się krytyczne w przypadku prądów bocznikowych w celu normalizacji przenoszenia mocy na ogniwo. Wzrost temperatury jest silnie przyspieszonym czynnikiem starzenia. Doszedłem do wniosku, że mój Mac AIR ma tylko 1000-godzinną użyteczną żywotność baterii, więc używam ładowarki tak często, jak to możliwe i staram się unikać nadmiernego wzrostu temperatury.

Idź kupić zapasową baterię.