Литиево ионный аккумулятор память

Эффект памяти аккумулятора

Друзья меня пугают каким-то «эффектом памяти» аккумулятора.
Говорят, что из-за него аккумулятор долго не проживет.
Что это такое?

Под «эффектом памяти» понимается обратимая потеря ёмкости, имеющая место в некоторых типах электрических аккумуляторов при нарушении рекомендованного режима зарядки, в частности, при подзарядке не полностью разрядившегося аккумулятора.

Название связано с внешним проявлением эффекта: аккумулятор как будто «помнит», что в предыдущие циклы работы его ёмкость не была использована полностью, и при разряде отдаёт ток до «запомненной границы».

Причиной появления «эффекта» памяти является укрупнение кристаллических образований активного вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности его рабочего вещества.

Это происходит, когда не полностью разряженный аккумулятор периодически подзаряжается до неполной зарядки.

Через какое-то время такого использования зарядить аккумулятор до определенного уровня становится очень сложно.

Это значит, что со временем аккумулятор будет способен работать все меньшее количество времени между зарядками.

В большинстве случаев причинами возникновения проблемы «эффекта памяти» являются перегрузка батареи и плохо разработанные зарядные устройства.

Оказывается не все типы аккумуляторов подвержены «эффекту памяти».
Поэтому, рекомендуется вынуть аккумулятор из устройства и почитать, что на нем написано.

1. Типы аккумуляторов, подверженные «эффекту памяти»:

NiCd — никель-кадмиевый,
NiMH — никель-металл-гидридный.

2. Типы аккумуляторов, не подверженные «эффекту памяти»:

Li-ion — литий-ионный,
Li-pol — литий-полимерный.

Итак, «эффект памяти» свойственен только аккумуляторам на основе никеля, причем сильнее всего он проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах.

Если у вас аккумулятор первой группы, то избежать «эффекта памяти» можно, если соблюдать режим использования аккумулятора: доводить аккумулятор до почти полной разрядки и только после этого его заряжать вновь.
Желательно также не превышать рекомендованные заводом-изготовителем режимы заряда и разряда.

Источник

Определение «эффекта памяти» аккумулятора

Отдельные виды аккумуляторов подвержены «эффекту памяти», который оказывает ощутимое негативное влияние на продуктивность батареи.

Ниже рассмотрены определение этого явления, способы предотвращения проявления его у источников питания, а также порядок действий в случае, когда ипо этой причине батарея начала работать некорректно.

Определение «эффекта памяти» аккумулятора

«Эффект памяти» аккумулятора представляет собой процесс существенной утраты емкости батареей из-за нарушений условий подзарядки, когда АКБ начинают заряжать до потери предыдущего заряда.

В этом случае создаются условия для того, чтобы источник питания будто зафиксировал уровень емкости до момента, когда его начали подзаряжать. В дальнейшей работе аккумулятор отдаст ток строго до этого значения.

У батареи нет мозга и, соответственно, памяти, а описываемый эффект объясняется повышением числа кристаллов активного вещества.

Это отклонение начинает особенно выражаться, когда перязаряжаемые аккумуляторные батареи подвергают подзарядке до того, как они полностью отдали электроток, который у них еще есть.

Если из раза в раз такой цикл повторяется, то АКБ утрачивает большую часть емкости. К тому же появляется риск того, что изделие полностью потеряет работоспособность.

Признаки того, что у батареи проявляются признаки такого явления, несложно — у моделей разных производителей они похожи. Чтобы оградить себя от того, чтобы менять аккумулятор чаще, чем нужно, необходимо обращать внимание на режим работы батареи и его отклонения от стандартного.

Количество циклов заряда АКБ конечно, однако есть возможность реанимировать даже значительно испорченные батареи путем специфической тренировки.

Варианты проявления «эффекта памяти» в АКБ

Осведомленность о типе аккумулятора является важным фактором в процессе работы с «эффектом памяти» изделия. Разрастание кристаллов — явление, которому батареи с разным химическим составом электролита и электродов подвержены по-разному:

1. Ni-Mh. Если в составе батареи присутствует никель, с большой вероятностью можно утверждать, что она будет склонна к «эффекту памяти» (АКБ Ni-Mh – в том числе).

Стоит раз нарушить режим подзарядки — и уже следующий цикл работы будет значительно короче. А если устройство, в которое установлена АКБ, используется постоянно, проявление «эффекта памяти» найдет отражение в основательном уменьшении времени его работы.

2. Ni-Cd. Этот тип батарей является самым чувствительным с точки зрения «эффекта памяти». Особенностью является то, что уменьшение времени работы как следствие сокращения емкости, может наступить даже после недолгой эксплуатации. Больше всего эффект заметен у недорогих моделей.

3. Li-Ion. Литий-ионные АКБ — это современные химические элементы питания. Эффект памяти у них почти отсутствует. Если емкость немного и снижается, то это результат долгой эксплуатации или постоянной работы.

4. Li-Pol. У этого типа батарей «эффект памяти» также отсутствует. Литиево-полимерные АКБ хорошо устанавливать в приборы, которые включают нерегулярно и заряжаются время от времени и не по правилам: до того, как заряд батареи истощится до конца.

5. LiFePO4. Литиево-железофосфатные батареи предрасположены к «эффекту памяти». Он проявляется не так радикально, как в аккумуляторах, содержащих никель, однако пренебрегать правилами зарядки таких элементов питания не стоит. Если хоть раз начать заряжать аккумулятор до того, как зарядка «села», на катоде аккумулятора такого вида начнутся разрушительные процессы.

Способы предотвращения развития «эффекта памяти»

Предотвратить «эффект памяти» у АКБ, которые к нему предрасположены, предельно легко. Нужно лишь удержаться установки на зарядку элемента питания до того, как он полностью истощится.

Если же такой возможности нет, то в профилактических целях нужно периодически осуществлять цикл по полному израсходованию тока с последующей полной подзарядкой с использованием рекомендаций завода-производителя батареи.

В аккумуляторах типа Ni-Cd и никель-металлогидридных АКБ подход по уменьшению риска развития эффекта памяти другой.

Необходимо задать необходимый уровень емкости. Для этого нужно до упора новую батарею, используя при этом силу тока, рекомендованную производителем изделия.

Далее требуется полностью разрядить аккумулятор, используя устройство невысокой мощности.

Такой цикл сделает возможным задать максимально возможные эксплуатационные характеристики изделия на старте эксплуатации, а также удалить первичное формирование кристаллов на внутренних контактах аккумулятора.

Аккумуляторы, предрасположенные к проблеме

Очевидно, что этот процесс будет выражаться отчетливее в переносных приборах, которые используются в течение долгого периода времени (такие как шуруповерт: они эксплуатируются на объектах без электричества).

Очень часто такие устройства заряжают, не дожидаясь, пока запас электрической энергии не истощится полностью.

Чаще всего подобные приборы не заряжают в процессе работы, обычно специфика их применения исключает такую возможность. Такая же сложность возникает с теми устройствами, которые используются время от времени.

К уменьшению продуктивности работы аккумулятора приводит распространенная практика подключения устройства к электросети с использованием адаптера, к которой часто прибегают пользователи.

Способы восстановления емкости АКБ

Восстановление емкости содержащих никель аккумуляторов возможна почти в полном объеме. Порядок действий нужно выполнить в определенном порядке:

• разрядить батарею через устройство небольшой мощности до напряжения на контактах 0,8-1,0 В (для замера используется мультиметр);
• полностью зарядить АКБ, используя зарядное устройство;
• повторить действия предыдущих пунктов 2-5 раз.

Если аккумулятор устанавливался на подзарядку, когда имеющийся электроток еще полностью не израсходован в течение значительного периода времени, есть вероятность, что для восстановления емкости потребуется зарядное устройство более высокой мощности.

Описанную выше процедуру можно проводить и как профилактику. Она применима в нескольких случаях:

• «эффект памяти» не выявляется очень явно;
• устройство длительное время не используется либо не заряжается;
• используемая АКБ относится к типу Ni-Mh либо Ni-Cd.

Источник

Литий-ионные аккумуляторы оказались подвержены «эффекту памяти»

Исследователи из швейцарского Института Пола Шеррера вместе с коллегами из Toyota Research в Японии обнаружили, что широко используемый тип литий-ионных аккумуляторов всё-таки подвержен негативному «эффекту памяти».

С тех пор как литий-ионные аккумуляторы в девяностых годах начали вытеснять никель-кадмиевые, о существовании «эффекта памяти» стали забывать. Долгое время считалось, что в аккумуляторах нового типа он полностью отсутствует. Однако проведённая недавно работа убедительно показала его наличие как минимум в самом распространённом виде АКБ – с катодом из литий-феррофосфата.

«Эффект памяти» в литий-ионном аккумуляторе при 50% уровне заряда (изображение: Nature)

Как и в случае никель-кадмиевых аккумуляторов, «эффект памяти» приводит к тому, что цикл зарядки завершается преждевременно. Таким образом, фактически доступная ёмкость батареи оказывается существенно ниже расчётной.

Исследование крайне актуально в связи с увеличением доли рынка гибридных автомобилей и электромобилей, в которых литиевые батареи эксплуатируются в довольно жёстких условиях. Особенно это касается гибридных силовых установок, использующих каждый импульс торможения для быстрой подзарядки аккумуляторов током большой силы.

Помимо снижения ёмкости батареи у эффекта памяти есть и другое отрицательное последствие. Корреляция между напряжением и уровнем заряда смещается, поэтому точно определить состояние аккумулятора становится невозможно.

Даже небольшая ошибка в определении остаточной ёмкости батареи по изменению напряжения может привести к большой ошибке в работе электронной схемы её обслуживания в дальнейшем.

Соавтор исследования профессор Пётр Новак (фото: Scanderbeg Sauer)

Как показало исследование, частые циклы неполной зарядки и последующего разряда приводят к возникновению отдельных «микроэффектов памяти», которые затем суммируются. Это происходит потому, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых становится далека от оптимальной в случае неполной зарядки.

Во время процесса заряда ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития.

Заряд батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарное напряжение батареи.

Если она не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть.

При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.

Источник

Аккумуляторы для мобильных устройств. Эффект памяти

Казалось бы, что может быть проще? Разрядился аккумулятор — подключай за-рядное устройство и заряжай до готовности. Однако в один прекрасный момент начинаешь замечать, что время работы полностью заряженного аккумулятора становится меньше, чем было ранее. В чем дело? Кто виноват и как объяснить данное явление?

Рассмотрим эту проблему и ее решение на примере аккумуляторов для сотового телефона. Впрочем, все нижеизложенное будет справедливо и для аккумуляторов радиостанций, радиотелефонов и радиоудлинителей, портативных компьютеров, цифровых фотоаппаратов и видеокамер, ручных инструментов.

Начнём с никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металлгидридных (NiMH) аккумуляторов.

Всем известно, что по окончании заряда аккумулятора в обычном зарядном устройстве, загорается зеленый свет индикатора, указывающий на то, что аккумулятор полностью заряжен и готов к работе. Если аккумулятор заряжается в телефоне, то последний сообщит вам об этом присущим ему способом… В результате вы полагаете, что ваш аккумулятор заряжен, обладает полной емкостью и ему можно доверять на все 100%.

Но не верь глазам своим! «Зеленый свет» обычного зарядного устройства никоим образом не гарантирует достаточную (номинальную) емкость [1] и исправность аккумулятора. Все дело в том, что обычное зарядное устройство заряжает (наполняет) аккумулятор электрической энергией лишь до тех пор, пока есть «свободное место», в то время как количество закачанной в аккумулятор энергии никак не оценивается! Напрашивается простая аналогия со стаканом, которую мы подробно рассмотрели при обсуждении электрической емкости аккумулятора в статье [1]. Если в пустой стакан можно налить 200 мл воды, то в тот же стакан, но частично заполненный, например, песком или мелкими камешками — гораздо меньше. Продолжая эту аналогию, отметим, что каждый цикл заряда-разряда вносит в наш стакан-аккумулятор «посторонние примеси», уменьшая тем самым объем для хранения полезной энергии.

Естественно, возникает вопрос: почему аккумулятор в процессе эксплуатации постепенно становится неспособным принять во время заряда то количество энергии, на хранение которого он рассчитан?

Для примера на рис. 1 схематично изображены 5 различных состояний одного и того же NiCd аккумулятора.

Рис. 1. Емкость аккумулятора в зависимости от состояния его рабочего вещества.

Левый крайний аккумулятор обладает стопроцентной емкостью. Его рабочее вещество имеет однородную структуру из мельчайших частиц и максимальную площадь активной поверхности. Крайний правый — наихудший и имеет только 20% от номинальной емкости. Частицы его рабочего вещества укрупнились, и площадь активной поверхности значительно уменьшилась. Причина этого явления заключается в том, что в процессе эксплуатации с каждым новым циклом заряда-разряда рабочее вещество внутри NiCd и NiMH аккумуляторов постепенно изменяет свою структуру в сторону уменьшения площади активной поверхности, что приводит к уменьшению реальной емкости. Этот эффект, называемый также эффектом памяти, развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов на основе никеля и сильнее всего проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах. Никель-металлгидридные аккумуляторы подвержены эффекту памяти в меньшей степени. Рассмотрим изображенную а рис. 2 анодную пластину нового NiCd аккумулятора: кристаллические образования имеют малые размеры (около 1 мкм), и площадь их соприкосновения с электролитом максимальна.

Рис 2. Структура анодной пластины нового NiCd аккумулятора

В процессе эксплуатации потребители, как правило, не дожидаются полной разрядки аккумулятора перед очередным зарядом. Впрочем, это вполне естественно, особенно, когда отсутствует запасной аккумулятор. Однако в результате такой практики через 3-6 месяцев (в зависимости от частоты заряда, глубины разряда, условий эксплуатации, качества аккумулятора и фирмы-изготовителя) реальная емкость аккумулятора заметно уменьшается. Сокращается также и время заряда. Кроме того, возможно небольшое увеличение внутреннего сопротивления [1] аккумулятора. Словом, начинает проявляться эффект памяти. Состояние такого аккумулятора с укрупненными кристаллическими образованиями показано на рис.3.

Рис 3. Структура анодной пластины NiCd аккумулятора, не подвергавшегося периодической тренировке

Если и далее не принимать особых мер, то при дальнейшей эксплуатации увеличивающиеся кристаллические образования могут привести к разрушению сепаратора (своего рода перегородки, разделяющей анод и катод) и увеличению тока саморазряда [1]. В этом случае аккумулятор становится подобен худому ведру: воду носить можно, но недалеко.

Что же делать? Вспомнить старое доброе правило: легче эффект памяти предотвратить, чем потом устранить. А для предотвращения необходимо применять тренировку аккумуляторов, под которой понимаются периодические (3-4 раза) циклы заряда и последующего разряда до напряжения 1 вольт на элемент. Процесс этот проще всего выполнять на настольных зарядных устройствах, имеющих функцию разряда, или на специальных анализаторах типа Cadex C7000, C7200 [2,3]. Последние процесс тренировки автоматизируют и увеличивают емкость аккумулятора до максимально возможного уровня… Выполнение тренировочных циклов непосредственно в телефоне тоже возможно, но не так эффективно, поскольку телефон, как правило, успевает отключиться раньше, чем аккумулятор полностью разрядится. Да и времени для этого требуется значительно больше.

Теперь несколько слов о периодичности данного процесса. Рекомендации таковы: для никелькадмиевых аккумуляторов — один раз в месяц, для никель-металлгидридных — раз в два месяца. Если делать это чаще, то полезный эффект увеличивается незначительно, а износ аккумулятора значительно возрастает.

Всегда ли помогают тренировочные циклы заряда-разряда? Не всегда. С запущенными аккумуляторами дело обстоит сложнее, и помочь тут может только метод восстановления, основанный на глубоком (до 0,4 вольта на элемент) разряде аккумуляторов по специальному алгоритму. При таком разряде происходит дробление крупных кристаллических образований, в результате чего емкость аккумулятора восстанавливается. Структура рабочего вещества восстановленного аккумулятора показа-на на рис.4.

Рис 4. Структура анодной пластины восстановленного NiCd аккумулятора

Однако следует отметить, что некоторые из восстановленных аккумуляторов могут иметь высокий саморазряд [1] вследствие повреждения кристаллическими образованиями материала сепаратора. По большей части это присуще старым аккумуляторам.

А теперь подведем итоги.

1. Эффект памяти свойственен только аккумуляторам на основе никеля, причем сильнее всего он проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах. Существуют мнение, что в никель-металлгидридных аккумуляторах этот эффект просто не успевает значительно проявиться из-за меньшего срока их службы. В то же время ряд фирм, выпускающих NiMH аккумуляторы, заявляет, что их аккумуляторы свободны от этого эффекта. Например, фирма GP Batteries International Limited в сопроводительной этикетке на некоторые типы своих аккумуляторов указывает следующие параметры: количество циклов разряда-заряда — 1000, отсутствие эффекта памяти и необходимости разряда аккумулятора перед зарядом. Словом, параметры более чем привлекательны.
2. Часто на эффект памяти списывают повреждения аккумулятора, вызванные неправильной эксплуатацией: использованием неисправного или «неродного» зарядного устройства, длительным пребыванием в зарядном устройстве, переохлаждением или перегревом аккумулятора, да и просто браком по вине изготовителя или поставщика.
3. Для предупреждения эффекта памяти при отсутствии специальных зарядных устройств можно порекомендовать заряд после как можно более полного разряда аккумулятора в телефоне.

И в заключение несколько слов о литий-ионных (Li-ion) аккумуляторах.

С ними дело обстоит с точностью до наоборот. Они не подвержены эффекту памяти. Более того, Li-ion аккумуляторы предпочитают заряженное состояние незаряженному. Их можно ставить на заряд в любой момент и держать в зарядном устройстве сколько угодно. Зарядные устройства для Li-ion аккумуляторов после окончания заряда автоматически отключаются, поскольку Li-ion аккумуляторы нельзя перезаряжать. Важно только, чтобы это устройство было предназначено для заряда Li-ion аккумуляторов именно этого производителя. В противном случае аккумулятор может быть либо недозаряжен, либо испорчен. Другая важная особенность Li-ion аккумуляторов — это необходимость их хранения только в заряженном состоянии.

При написании статьи использовались материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой канадской компании Cadex Electronics Inc. [3], а также компанией Landata, г. Москва [4].

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, а также советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [5].

Источник