Как можно полностью зарядить литий-ионный аккумулятор за 35 минут?

Как это возможно? Каждый производитель литиевых аккумуляторов хочет создать быстро заряжаемые аккумуляторы, поэтому это горячая тема для исследований.

Эта статья от 2007 года проливает свет на внутреннее устройство литий-ионных аккумуляторов с быстрой зарядкой:

Не существует стандартного определения для элементов с высокой скоростью разряда, но основные принципы проектирования диктуют, что стандартные элементы на основе оксида кобальта могут поддерживать непрерывный ток со скоростью 2-C или, возможно, 3-C. Ячейки с высоким энергопотреблением на основе оксида кобальта поддерживают примерно удвоение этих токов, но только в течение нескольких секунд. Новые аккумуляторы с высоким стоком выдерживают непрерывную температуру 20°C.

Учитывая, что элемент с высокой скоростью разряда может поддерживать разряды большой силы тока в течение очень короткого периода времени, теоретически зарядное устройство может полностью зарядить этот элемент за такой же короткий промежуток времени. Но чтобы воспользоваться этой возможностью, необходимо изменить обычную конструкцию зарядного устройства. Для простоты эти изменения можно проиллюстрировать на примере зарядного устройства с одним отсеком, поддерживающего аккумуляторную батарею с одним элементом.

Характеристики ячейки

На первый взгляд литий-ионные аккумуляторы с быстрой зарядкой кажутся простыми. Кажется, что можно просто увеличить ток, подаваемый во время фазы постоянного тока цикла заряда. Однако, как показано в таблице, общее время заряда существенно не уменьшается при увеличении тока от 1 C до более высоких значений.

Разница во времени зарядки с тарифом 2-C по сравнению со тарифом 3-C составляет всего около одной минуты, независимо от поставщика элемента. По сути, элементы просто быстрее достигают отсечки верхнего напряжения, но время в режиме заряда постоянным напряжением будет намного больше. Очевидно, что это увеличивает вероятность повреждения батареи из-за перенапряжения. Сопротивление традиционных литий-ионных элементов заставит их сильнее нагреваться при более быстрой зарядке, поэтому элементы начнут разрушаться. Быстрая зарядка значительно сокращает срок службы аккумулятора.

Разработка элемента, способного выдерживать высокие скорости разряда и высокого заряда, представляет собой попытку уменьшить длину пути и сопротивление для транспорта ионов и электронов. На рис. 1 показано поперечное сечение типичного литий-ионного цилиндрического элемента. Изменения начинаются с активных материалов батареи. Традиционные литий-ионные элементы основаны на катодном соединении литий-кобальт-оксид (LiCoO2). В этом материале ионы лития, которые диффундируют в катод и из него, могут быть введены только через двумерные пути в кристаллической структуре.

Длину пути можно сократить, изменив физическую морфологию активного материала батареи или изменив химическую структуру материала, или сделав и то, и другое. Один из подходов к физическому решению этой проблемы заключается в уменьшении размера частиц материалов до наноразмеров. Новые химические вещества, такие как марганцевая шпинель (LiMn2O4), предлагают трехмерные пути для внедрения ионов.

В дополнение к этим изменениям необходимо снизить сопротивление элементов за счет использования тонких материалов, увеличения количества токосъемников, увеличения концентрации электролита и снижения его вязкости с помощью растворителей. Многие из этих изменений предполагают, что литий-полимерные элементы, которые могут быть очень тонкими, пригодны для использования при проектировании с высокими скоростями.

Производители литий-ионных аккумуляторов экспериментировали со своими составами, чтобы реализовать конструкции, специфичные для высокоскоростных приложений. Несколько производителей придумали решение. E-One Moli Energy представила аккумуляторный элемент с высокой скоростью разряда на основе катодного материала из марганцевой шпинели для аккумуляторных электроинструментов.

Легко заставить литий-ионный аккумулятор заряжаться менее чем за час, хотя на самом деле это не так. После достижения желаемого зарядного напряжения (первая пунктирная вертикальная линия) элемент все еще будет принимать ток и может заряжаться дальше. Если этот шаг пропустить, ячейка будет казаться полностью заряженной при измерении сразу после зарядки, но позже напряжение значительно упадет.

Некоторые недорогие потребительские зарядные устройства могут использовать упрощенный метод «заряди и работай», при котором литий-ионный аккумулятор заряжается за один час или меньше, не переходя на второй этап заряда. «Готово» появляется, когда батарея достигает порога напряжения на Этапе 1. Поскольку состояние заряда (SoC) в этот момент составляет всего около 85 процентов, пользователь может жаловаться на малое время работы, не зная, что виновато зарядное устройство. . Многие аккумуляторы по гарантии заменяются по этой причине, и это явление особенно распространено в сотовой отрасли.

Чтобы выяснить, так ли это с вашим зарядным устройством, измерьте напряжение и силу тока во время зарядки и сравните свои измерения с приведенной выше диаграммой. Если вы предоставляете эти данные, должно быть ясно, что именно происходит. В настоящее время у нас нет данных, кроме заявлений о зарядном устройстве, поэтому каждый ответ будет предположительным.

для получения дополнительной информации см.:

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

У меня есть дрель-шуруповерт, работающая от литий-ионного аккумулятора и поставляемая с зарядным устройством, которое полностью заряжает ее за 35 минут и утверждает, что заряжает ее до 70% за 15 минут.

Согласно ответам на этот вопрос максимальный зарядный ток для литий-ионных аккумуляторов составляет около 1С, что с учетом потерь означает, что время зарядки должно быть не менее одного часа. Это согласуется с моим опытом использования других устройств, таких как мобильные телефоны — для их полной зарядки требуется около 1,5 часов.

Как тогда возможна зарядка литий-ионного аккумулятора примерно за 35 минут?

Я написал длинный ответ на предыдущий вопрос.
Аккумулятор и зарядное устройство для дрели вполне возможно сочетают в себе несколько аспектов, которые я описал там, что может обеспечить быструю или кажущуюся быструю зарядку.

Сначала я сказал:

• Литий-ионные аккумуляторы можно безопасно (достаточно) заряжать со скоростью, рекомендованной их производителями. Быстрее может быть возможно и может быть «безопасно», но все гарантии отключены, и более короткий срок службы или мгновенно очень короткий срок службы являются определенными вариантами.

и

• Стандартная спецификация - максимальная зарядка 1C.

То есть отраслевая практика заключается в том, чтобы взимать плату не более 1 цента, НО отдельные производители могут раздвигать границы. Проблемы бывают термические, механические и химические (как минимум). Как я уже сказал, это может привести к снижению времени автономной работы.

Я также сказал

• Существуют новые химические вещества на основе лития и новые механические устройства, которые позволяют заряжать элементы на основе лития с более высокой скоростью. Если производитель говорит, что это так, это действительно может быть. Я видел, по-видимому, стандартные литий-ионные аккумуляторы с номинальным зарядом 2C, но нормой является максимум 1C. (см. выше)

Это именно то, о чем вы сообщаете - это полностью соответствует предыдущему ответу - просто не является отраслевым стандартом, и это предполагает, что вы можете получить короткий срок службы или меньшую, чем ожидалось, емкость.

НО

Основная причина может заключаться в том, что производитель фактически продлевает срок службы элемента, оценивая емкость элемента ниже стандартной и не заряжая его полностью. Если они оценивают его примерно в 60% от фактического, то:

Скажем, полная емкость 1 Ач для упрощения расчетов. Любая емкость дает одинаковые результаты.

60% емкости = 0,6 Ач.

Зарядка при постоянной 1С = 1А.

Время достижения 0,6°C при скорости 1°C = 0,6 часа = 40 минут (заявлено 35)

Время достижения 70% = 0,7 х 0,6 х 60 минут = 25 минут (заявлено 15)

Так что давайте наберёмся смелости и зарядим при 1,6C в течение первых 15 минут, когда емкость низкая. На этом уровне дельта напряжения между Vin и Vcell меньше, а тепловые потери ниже. Если мы справляемся с 70% производительностью за 15 минут, нам нужно добавить 30% за (35-20) = 15 минут. 15 м - это 15/35 = 43% от общего времени зарядки 35 минут, но нам нужно добавить только 30% заряда, поэтому скорость ниже 1C приемлема для его последней части.

На практике, вероятно, используется некоторое сочетание вышеперечисленного.

• Уменьшите мощность батареи, скажем, до 75-80% от полной возможной емкости.

• Заряжайте при температуре > 1C в течение первых 70% заряда — уменьшая ток под зарядным устройством, а не при управлении аккумулятором, поэтому он падает ниже 1C, скажем, при 70% емкости аккумулятора. Таким образом, батарея сильно заряжается при низкой емкости и со скоростью, уменьшающейся с уровнем заряда, и никогда не заполняется. Конечным результатом может быть увеличенный срок службы.

Или они могут сделать что-то совсем другое :-).

Одним из способов сократить время зарядки является улучшение химического состава элемента для уменьшения ESR, но, конечно, согласование элементов становится критически важным при использовании шунтирующих токов для нормализации передачи мощности на элемент. Повышение температуры является сильно ускоряющим фактором старения. Я выяснил, что срок службы батареи моего Mac AIR составляет всего 1000 часов, поэтому я использую зарядное устройство как можно чаще и стараюсь избегать чрезмерного повышения температуры.

Иди купи запасной аккумулятор.