Опубліковано 20.06.2016 15:15 Політика Автор: Abramova Olesya
Багато в чому можна провести паралель між поведінкою акумуляторної батареї і людського організму. Прикладена до акумулятора дбайливе ставлення, як і у випадку зі здоров'ям людини, повернеться сторицею у вигляді збереження номінальних експлуатаційних характеристик і повного терміну служби. Але в даному випадку бувають і виключення, і, здавалося б, адекватне обслуговування не завжди приведе до очікуваних вигод.
Щоб стати хорошим господарем, ви повинні розуміти основні потреби акумуляторної батареї, а це має на увазі наявність певних знань, яким в школі не вчать. Цей розділ присвячений опису коректної експлуатації нових акумуляторних батарей, нюансам їх зарядних процесів і правильним діям при необхідності тривалого зберігання. Також в цьому розділі розкриваються моменти правильної повітряного транспортування і нюанси утилізації.
Але як і неможливо передбачити тривалість життя людини при його народженні, так і немає стовідсоткової методики визначення точного терміну служби акумуляторної батареї. Деякі акумулятори служать дуже довго, а деякі перестають функціонувати ще будучи відносно новими. Неправильна зарядка, жорсткі розрядні навантаження і тепловий вплив є найлютішими ворогами акумуляторних батарей. Хоча й існують способи і методи захисту акумуляторів, досягнення ідеальних умов не завжди можливо. У цьому розділі наведено відомості як витягти максимум з наших акумуляторних батарей.
Не всі нові акумуляторні батареї мають ємність, рівну номінальній, і вимагає певного попереднього обслуговування - форматування. Незважаючи на те, що дана особливість властива більшості електрохімічних систем, виробники літій-іонних акумуляторів стверджують, що ця система позбавлена необхідності особливого попереднього зарядного режиму - "тренування", і готова до повноцінного використання вже відразу. Хоча дане твердження і не позбавлене правди, у літій-іонних акумуляторів все ж відзначається деякий приріст ємності після довгого зберігання.
По суті, можна виділити два методи попереднього обслуговування акумулятора - форматування і "тренування". Обидва ці методи спрямовані на поліпшення неоптимізованою початкової ємності шляхом додатка циклічних зарядних і розрядних процесів. Форматування як би завершує процес виробництва шляхом остаточного формування внутрішнього устрою акумуляторної батареї, що відбувається природним чином під час циклічного режиму роботи. Типовим прикладом можуть служити акумулятори на основі свинцю або нікелю, які покращують свої характеристики аж до моменту повного форматування. З іншого боку, "тренування" акумулятора є обслуговуючим режимом, покликаним поліпшити продуктивність вже під час експлуатації або після тривалого зберігання. "Тренування" головним чином застосовується до акумуляторів на основі нікелю.
Форматування свинцево-кислотного акумулятора відбувається шляхом застосування зарядки з подальшою розрядкою і перезарядженням. Цей процес ініціюється на заводі-виробнику і завершується вже у кінцевого споживача як частина звичайної експлуатації. Фахівці радять не піддавати новий акумулятор високих навантажень, рекомендується використання помірного розряду з поступовим його збільшенням, - можна провести аналогію зі спортсменом, якому спочатку необхідна розминка, щоб в подальшому взяти велику вагу або подолати велику дистанцію. Але така рада не застосуємо до стартерних акумуляторів, які використовуються в автомобілях або до інших акумуляторів із специфічними умовами експлуатації. Свинцево-кислотний акумулятор зазвичай досягає свого повного значення ємності після 50-100 циклів. На малюнку 1 показана тривалість життя акумуляторної батареї свинцево-кислотного електрохімічної системи.
Малюнок 1: Тривалість життя свинцево-кислотного акумулятора.
Новий свинцево-кислотний акумулятор може бути не повністю відформатований і досягне повної своєї продуктивності тільки після приблизно 50 або більше циклів. Сам процес форматування відбувається безпосередньо під час експлуатації, але його примусове ініціювання не рекомендується, так як це призведе до не потрібно нам зносу акумулятора.
Нові глибоко розрядні акумулятори мають близько 85% відсотків від номінальної ємності, і досягають своїх 100% або близько того тільки після повного завершення процесу форматування. Але іноді трапляються екземпляри, стартову ємність яких спеціальний акумуляторний аналізатор визначає на рівні близько 65% або навіть нижче. Відповідно виникає питання, відновляться ємність даних зразків до необхідного рівня після форматування? На жаль, досвід показує, що приріст ємності буде вельми обмежений і такі акумулятори, як правило, виходять з ладу раніше інших.
основним призначенням стартерного акумулятора [BU-201] є забезпечення високих струмів навантаження для запуску двигуна, і ця вимога присутня вже і на старті експлуатації, не роблячи знижок для необхідних акумулятора процесів форматування або "тренування". Але на щастя автомобілістів, стартерний акумулятор здатний видати необхідні розрядні струми на рівні ємності аж до 30%. Однак падіння ємності нижче може поставити власника автомобіля в досить скрутне становище. (Дивіться також BU-904: Як виміряти ємність електричної батареї ).
Виробники рекомендують застосовувати підзарядку до нових або взятим після тривалого зберігання акумуляторів на основі нікелю протягом 16-24 годин. Це дозволяє елементам акумулятора зробити калібрування відносно один одного, і відповідно, привести рівень заряду до однакового значення. Повільний заряд також сприяє перерозподілу електроліту і усунення сухих плям на сепараторі.
Акумуляторні батареї на основі нікелю не завжди повністю відформатовані при виході з заводу. Застосування декількох циклів заряду / розряду при нормальній експлуатації або за допомогою акумуляторного аналізатора допомагає завершити цей процес. Кількість циклів, необхідне для досягнення повної потужності, буває різним і залежить від виробника елементів. Якісно зроблені елементи досягають номінальних значень вже після 5-7 циклів, в той час як більш дешевим альтернатив може знадобитися до 50 циклів, щоб дістатися до прийнятних значень ємності.
Недостатній рівень продуктивності через незавершеність процесу форматування може стати досить великою проблемою в разі, якщо споживач очікує, що акумулятор буде працювати на повну потужність прямо з коробки. Відповідно в компаніях, які використовують акумуляторні батареї в критично важливих додатках, існує спеціальне тестування продуктивності. Використовуються акумуляторні аналізатори, які мають вбудовані програми, точно прогнозують необхідне для досягнення повної ємності кількість циклів.
Застосування циклічного режиму експлуатації також здатне відновити втрачену внаслідок тривалого зберігання ємність акумулятора на основі нікелю. Здатність до регенерації залежить від терміну зберігання, рівня заряду і температури навколишнього середовища. Кількість необхідних для відновлення циклів лежить в прямій залежності від терміну зберігання та величини температури. Акумуляторні аналізатори допомагають у визначенні правильних параметрів попередньої зарядки ( "тренування") і гарантують досягнення акумулятором номінальної ємності.
4. Літій-іонна електрохімічна система
Досить поширена думка, що під час зберігання на катоді літій-іонного елемента утворюється пасивуючий шар, також відомий як межфазная захисна плівка (IPF - interfacial protective film). Вважається, що цей шар викликає обмеження потоку іонів, що, в свою чергу, призводить до зростання внутрішнього опору і, в гіршому випадку, навіть до металізації літію. Зарядка, а ще більше ефективніше циклічний режим, допоможуть розчинити цей шар, і вже після другого або третього циклу акумулятор придбає додатковий час роботи, хоч і в невеликій кількості.
Вчені ще не в повній мірі розуміють природу цього шару, і нечисленні опубліковані дослідження в цій сфері тільки припускають, що приріст продуктивності завдяки циклічному режиму експлуатації пов'язаний з видаленням фізична хімія. Деякі вчені навіть заперечують існування шару, зробивши основний акцент на тому, що ця ідея є спекулятивною і не узгоджується з існуючими дослідженнями. Незалежно від факту існування цього фізична хімія в літій-іонних елементах, не можна проводити паралелі між цією властивістю і "ефектом пам'яті" [BU-807] нікель-кадмієвих акумуляторних батарей, які схожі тим, що також вимагають періодичної циклічної експлуатації для запобігання втрати ємності. Симптоми можуть здаватися аналогічними, але сама механіка процесу буде інша. Також не можна порівнювати вищеописані ефекти з ефектом сульфатации [BU-804b] свинцево-кислотних акумуляторних батарей.
Досить поширеним є застосування твердого електроліту (SEI - solid electrolyte interface) у вигляді плівки, яка обволікає анод. Шар SEI є електричним ізолятором, але має достатню іонною провідністю, що дозволяє акумулятору нормально функціонувати. У той час як шар SEI кілька знижує показник ємності, його захисні властивості дозволяють забезпечити значне довголіття літій-іонного елементу. (Дивіться BU-307: Для чого в електричної батареї потрібен електроліт ).
Шар SEI формується в процесі виготовлення акумуляторного елемента, і виробники приділяють велику увагу цьому моменту, так як некоректне формування може призвести до втрати ємності і підвищення внутрішнього опору. Процес включає в себе кілька циклів підзарядки при підвищених температурах з періодами спокою, і сумарно може тривати кілька тижнів. Цей процес формування додатково забезпечує контроль якості та допомагає в узгодженні окремих елементів, а також дозволяє контролювати саморазряд шляхом вимірювання напруги після періодів відпочинку. Високий саморозряд буде свідчити про наявність домішок, що, в свою чергу, вкаже на факт виробничий дефект.
Також на катоді може відбуватися процес окислення електроліту. Це призводить до постійної втрати ємності і збільшення внутрішнього опору. Не існує жодного способу видалення такого шару після формування, але існують спеціальні добавки в електроліт, які зменшують його негативний вплив. Слід пам'ятати, що підтримка в елементі напруги вище 4,10 В укупі з підвищеною температурою сприяє окисленню електроліту. Досвід використання літій-іонних акумуляторів показує, що це поєднання високої напруги і тепла шкідливіше в порівнянні з просто високими зарядними і розрядними циклічними навантаженнями.
Літій-іонна електрохімічна система є дуже чистою системою, яка не потребує додаткової "тренуванні" після випуску з заводу і також їй не потрібно технічне обслуговування, як системам на основі нікелю. Необхідність в остаточному форматуванні не особливо важлива і помітна, максимальна ємність доступна вже відразу (винятком може бути ефект невеликого приросту ємності після тривалого зберігання). Повна розрядка після старту згасання ємності акумулятора не призведе до її відновлення, в літій-іонної системі таке згасання лише свідчить про незворотної деградації, яка врешті-решт призводить до виходу з ладу акумулятора. Зарядні і розрядні характеристики допоможе відкалібрувати контролер "розумного" акумулятора, але ця калібрування не може вплинути на електрохімічні процеси всередині самої батареї. (Дивіться BU-601: Принцип дії "розумного" акумулятора).
5. неперезаряжаемие літієві батареї
Первинні літієві електричні батареї, такі як літій-тіонілхлорідние (LTC), здатні отримувати вигоду з виникає при зберіганні пассивации. У нашому випадку пассивация являє собою тонкий шар, утворювався внаслідок реакції між електролітом, літієвим анодом і вуглевмісні катодом. Зверніть увагу, що анод первинної літієвої батареї складається з літію, а катод є графітовим, що протилежно конструкції літій-іонного джерела живлення.
Без цього шару більшість літієвих батарей просто не зможе функціонувати, тому що присутність літію викликає швидкий саморозряд і деградаційні процеси протікають досить швидко. Деякі вчені навіть стверджують, що такі електричні батареї без формування шару з хлориду літію просто вибухнуть, і саме завдяки пасивуються шару можливе існування батареї і можливість її зберігання протягом 10 років.
Температура і рівень глибини заряду мають безпосередній вплив на зростання фізична хімія. Повністю заряджену літій-тіонілхлорідную батарею важче депассівіроваться після тривалого зберігання в порівнянні з батареєю з низьким рівнем заряду. У той час як батареї цієї електрохімічної системи необхідно зберігати при низьких температурах, депассівація краще працює при теплі, так як їй сприяють такі ефекти, температурного розширення та рухливість іонів.
Обережно! Не допускайте застосування фізичної напруги або надлишкового тепла до електричної батареї. Вибух через необережне поводження може призвести до серйозних травм.
Пасивуючий шар викликає затримку виникнення потенціалу напруги при першому підключенні навантаження до батареї. На малюнку 2 видно просідання і відновлення напруги батарей з різними ступенями пассивации. Батарея "А" демонструє мінімальне падіння напруги, в той час як батареї "С" потрібен певний час для відновлення.
Малюнок 2: Поведінка напруги батарей з різними ступенями пассивации при підключенні навантаження.
Батарея "А" має невелику ступінь пасивації, "В" - велику і, відповідно, їй потрібно більше часу для відновлення напруги, а ступінь пасивації батареї "С" є досить значною.
Якщо літій-тіонілхлорідние батареї використовуються в пристроях з дуже низькими розрядними струмами, наприклад, в датчиках або системах індикації, то в них можуть розвинутися досить значні процеси пасивації, які, в свою чергу, можуть призвести до поломки батареї. До слова, висока температура навколишнього середовища сприяє цим процесам. Дана проблема вирішується шляхом підключення великого конденсатора паралельно батареї. Така батарея з високим внутрішнім опором все ще здатна зарядити конденсатор випадковими високими імпульсами, а в періоди спокою відбувається підзарядка конденсатора.
Для допомоги в запобіганні сульфатации під час зберігання, в деякі літієві батареї вбудовується резистор номіналом 36 кОм, який служить в якості паразитного навантаження. Стійкий низький струм розряду перешкоджає зайвому збільшенню товщини фізична хімія, але в той же час призводить до зниження терміну зберігання. Після дворічного зберігання батареї з 36 кОм резистором зберігають аж до 90% ємності. Іншим методом, що допомагає літієвим батареям, є застосування періодичних розрядних імпульсів під час зберігання.
Не всі первинні літієві батареї відновлюються при підключенні до пристрою і додатку навантаження. Розрядний струм може бути занадто низьким, щоб усунути пасивацію. Також можлива ситуація, коли саме підключений пристрій визначає нашу пасивувати батарею як несправну або як батарею з низьким рівнем заряду, і просто відхиляє її. Більшість таких батарей можуть бути підготовлені до експлуатації за допомогою функції контрольованої навантаження акумуляторного аналізатора, яка призведе характеристики до необхідних значень.
Необхідний розрядний струм для депассіваціі становить 1С-3С (С - номінальна ємність). Напруга елемента має відновитися до 3,2 В при додатку такого навантаження, а час самого додатка становить, як правило, близько 20 секунд. Цей процес може бути повторений при необхідності, але він повинен займати не більше 5 хвилин часу. При навантаженні в 1С напруга справного елемента має залишитися вище 3,0 В. Падіння нижче 2,7 В свідчитиме про закінчення терміну їх використання. (Дивіться BU-106: Первинні електричні батареї ).
Літій-металеві електричні батареї мають більш високий вміст літію та на них поширюються більш строгі правила транспортування в порівнянні з літій-іонними акумуляторами тієї ж ємності. (Дивіться BU-704a: Обмеження повітряного транспортування батарей на основі літію). Дані обмеження викликані більш високою питомою енергоємністю.
Обережно! Слід пам'ятати про необходимость обмеження зарядного струмів при роботі з літієвімі батареями. Завжди встановлюйте межа Струму до найніжчого практичного уровня и стежте за напругою и температурою акумулятора. У разі розриву, витоку електроліту або при будь-якому іншому випадку впливу електроліту негайно промийте місце ураження водою. Якщо рідина потрапила в очі промивайте їх протягом 15 хвилин і негайно зверніться до лікаря.
Використову захисні рукавички для роботи з електролітом, свинцю и кадмієм.
Останнє оновлення 2016-04-02
Відповідно виникає питання, відновляться ємність даних зразків до необхідного рівня після форматування?