Повышенная емкость литий ионных аккумуляторов

Как увеличить ёмкость литий-ионного аккумулятора?

Покатавшись на электровелосипеде некоторое время, вы можете для себя обнаружить, что имеющейся батареи вам уже не хватает, и хочется проезжать на одном заряде гораздо большие расстояния.

Это возможно в двух случаях: если ёмкость батареи изначально была недостаточной, и если батарея потеряла часть своей ёмкости в процессе эксплуатации. В данной статье рассмотрим оба варианта и способы выхода из сложившейся ситуации. Перед дальнейшим чтением рекомендуем в общих чертах ознакомиться с устройством литий-ионного аккумулятора.

Дешёвый литий-ионный аккумулятор

Если электровелосипед стоил очень дёшево по отношению к аналогам, логично предположить, что он собран из комплектующих довольно низкого качества. И среди них, вероятнее всего, батарея низкой ёмкости с высоким внутренним сопротивлением.

В таком случае чаще всего самым разумным решением будет заменить батарею на новую, более ёмкую, либо продать велосипед целиком и купить новый, более высокого качества и с более ёмкой батареей.

Хотя, если в корпусе аккумулятора есть достаточно свободного места, можно собрать в нём новую батарею, более высокой ёмкости, а прежнюю попытаться продать без корпуса. Увеличивать ёмкость такой батареи не имеет смысла, так как соединив новые ячейки параллельно с ячейками сомнительного качества, через какое-то время старые ячейки начнут выходить из строя и портить новые ячейки.

Добавить ячейки к литий-ионному аккумулятору

Другое дело, если батарея в хорошем состоянии, и вы просто хотите увеличить запас хода при помощи дополнительных ячеек. В этом случае придётся добавить к каждому блоку ячеек одинаковое количество новых ячеек, подключив их параллельно.

Внимание! Данная статья не является инструкцией к действию. Автор лишь делится собственным опытом. Вся ответственность за повторение действий, описанных в статье, лежит на Вас. Будьте благоразумны и не приступайте к подобным работам, не имея соответствующей квалификации и опыта.

Предварительно необходимо убедиться в том, что напряжение на всех блоках и новых ячейках одинаковое, а перед началом работ не забыть отключить балансировочный разъём от BMS.

На схеме зелёной пунктирной линией обозначены ячейки исходной батареи, в данном случае по схеме 13S4P, а сиреневым пунктиром — дополнительные ячейки, с которыми батарея будет иметь схему 13S6P.

То есть при ёмкости одной ячейки 3 Ач, ёмкость всей батареи увеличится с 12 Ач до 18 Ач, то есть в полтора раза.

Однако такое решение подходит далеко не всегда, из-за ограниченного места в корпусе аккумулятора. Более простым способом увеличить запас хода может быть приобретение второго аккумулятора.

Вторая батарея на электровелосипед

Довольно часто у владельцев электровелосипедов возникает идея купить вторую батарею, и в этом случае непременно встаёт вопрос их правильного соединения. Первое, что обычно приходит в голову, — соединить батареи параллельно. Однако, этого не стоит делать, и вот почему.

Если в одной из батарей начнут выходить из строя некоторые ячейки (переходить в замкнутое состояние), напряжение от исправной батареи будет делиться между оставшимися ячейками первой батареи, и они будут перезаряжаться (будет превышен порог максимального напряжения 4,2 В), что довольно опасно. Тогда в лучшем случае можно остаться с двумя неисправными батареями, а то и вовсе вызвать пожар.

Более разумным вариантом будет поочерёдное использование батарей. То есть вы заряжаете обе батареи и сначала едете на одной, а когда она разрядилась, отключаете её, подключаете другую и продолжаете движение. В этом случае батареи будут работать независимо друг от друга, и неисправность одной никак не повлияет на другую.

Снизилась ёмкость литий-ионного аккумулятора

Теперь рассмотрим случай, когда батарея потеряла ёмкость в процессе эксплуатации. Это происходит, как правило, по двум основным причинам.

Первая — разбалансировка аккумулятора, когда на одной или нескольких ячейках напряжение становится выше или ниже, чем на остальных. Например, напряжение на одной из ячеек стало больше, чем на других.

Тогда эта ячейка зарядится первой и BMS остановит процесс заряда, хотя остальные ячейки заряжены не полностью, то есть аккумулятор не сможет зарядиться до своего максимального напряжения и выдать полную ёмкость на разряде. В таком случае потребуется балансировка, но об этом чуть ниже.

Вторая причина потери ёмкости — возрастание внутреннего сопротивления ячеек. И это может произойти в двух случаях — деградация из-за длительного хранения и деградация из-за нарушения температурного режима работы.

Если ячейки до сборки батареи, или уже в составе батареи, хранились в течение нескольких лет, естественные деградационные процессы, скорость которых зависит, в том числе, от условий и температуры хранения, приводят к постепенному возрастанию внутреннего сопротивления.

Если же батарея эксплуатировалась с превышением нагрузок, на которые она рассчитана, то она перегревалась, и деградация ячеек шла ускоренными темпами, в результате чего также возросло внутреннее сопротивление ячеек и аккумулятора в целом.

Чем выше внутреннее сопротивление батареи, тем хуже она отдаёт ток, и тем больше просадка напряжения при подключении нагрузки. А значит, BMS будет прерывать процесс заряда и разряда раньше, то есть ёмкость батареи снизится.

В обоих случаях (при возросшем внутреннем сопротивлении) восстановить батарею, к сожалению, не получится. Не если дело в разбалансировке — шанс есть.

Источник

Максимальная емкость Li-ion аккумулятора

В действительности максимальная емкость литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650 составляет 3400 мА*ч для продукции массового потребления и 3600 мА*ч для источников энергии особых серий на начало 2017 года.

В зависимости от разновидности материала катода массово производится 3 типа Li-ion аккумуляторов:

1. LiCoO2 – с применением кобальта.
2. LiMnO2, LiNiMnCoO2, LiMn2O4 – на основе марганца.
3. LiFePO4 – литий-железо-фосфатные.

Маркировка элементов питания у разных производителей отличается, хотя в общепринятом варианте должно использоваться обозначение типа I?R XXYY0, где:

• I – литера, обозначающая литий-ионную технологию производства;
• ? – буква, отражающая материал катода: кобальт – С, марганец – N, железо-фосфатная химия – F;
• R – литера, указывающая на тип устройства – аккумулятор, rechargeable (перезаряжаемый );
• ХХ – значение диаметра, в мм;
• YY – значение длины, в мм;
• 0 – цифра, отражающая цилиндрическую форму источника питания.

Таблица емкостей литиевых источников питания

В зависимости от типа аккумулятора Li-ion, максимальная емкость может варьироваться в широких пределах. Если рассматривать наиболее распространенные источники питания типоразмера 18650, их емкость в зависимости от модификации колеблется примерно от 1100 до 3500 мА*ч:

Источник

Типы аккумуляторов Li-ion с максимальной емкостью

Статья обновлена: 2020-08-27

Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее востребованными источниками питания, которые в отличие от обычных батареек могут перезаряжаться определенное количество циклов. Принцип действия таких устройств основан на перемещении ионов лития от отрицательного электрода к положительному в процессе разрядки и в обратном направлении в момент зарядки.

Данный тип накопительных элементов характеризуется отличной энергетической плотностью и наименьшей скоростью потери заряда в пассивном режиме благодаря низкому саморазряду при хранении.

По типоразмеру Li-ion аккумуляторы могут быть цилиндрическими или выпускаться в форме призмы. Среди прочих преимуществ следует отметить малый вес изделий и длительный срок их службы, что и выводит такие накопительные устройства в ряды лидеров продаж.

От чего зависит емкость литий-ионных аккумуляторов?

Емкость литиевого аккумулятора, в мАч, напрямую зависит от тока разряда, часто обозначаемого символом «С», и чем он выше, тем ниже емкость АКБ. Также емкость зависит от температуры, возникающей при разряде.

Аккумуляторы одного типоразмера могут отличаться значениями емкости и разрядного тока в том случае, если производителем будут изменены некоторые параметры, такие как толщина фольги, сепаратора и электрода, материал электрода «+» и «–», а также размер сегментов электролита.

Аккумуляторы, обладающие более высокой мощностью, снабжаются токовыводами больших габаритов, что предотвращает дополниельный перегрев накопителя из-за сопротивления на контактах. Для управления перегревом используют вспомогательные вещества, которые добавляют в электродную массу.

Что касается Li-ion аккумуляторов с максимальной емкостью, то их токовыводы в большинстве своем имеют стандартные размеры. В зависимости от типоразмера элемента, максимальная емкость литий ионных аккумуляторов может варьироваться в широком диапазоне. Для наиболее распространенных литиевых аккумуляторов типоразмера 18650 актуальны показатели емкости в пределах 1100 – 3500 мАч в зависимости от их модификации. Данные показатели (при приемлемом уровне нагрузки 7-10 Ампер) уже достигли основный производители аккумуляторов Panasonic, Samsung, Lg. Большие емкости уже доступны в формфакторах 26650, 21700, 22700 и т.д.

Где используют Li-ion аккумуляторы большой емкости

Если проанализировать изложенную выше информацию, то станет понятно, что каждый конкретный аккумулятор определенного типа и размера имеет определенный объем энергии, который он накапливает в процессе зарядки и отдает во время использования. Стоит отметить, что некоторые производители маркируют свои изделия с завышением данного показателя, однако максимальная емкость литий ионных аккумуляторов типа 18650 не превышает 3600 мАч.

Наиболее распространенные типы аккумуляторов Li-ion с максимальной емкостью в большинстве случаев предназначаются для обеспечения питания портативной аппаратуры и всевозможных бытовых приборов. К примеру, аккумуляторы типа 26650 (5200 мАч) устанавливается на устройства с высоким энергопотреблением, к которым можно отнести мощные фонари и другие аналогичные приборы массового использования.

Также емкими накопителями комплектуют электротранспорт, количество которого с каждым годом стремительно увеличивается. В процессе эксплуатации аккумуляторы несколько теряют свою емкость, поэтому соответствие фактических параметров номинальным актуально исключительно для новых элементов питания, что необходимо учитывать в случае их тестирования.

Источник

Немецкие ученые выяснили, как увеличить емкость литий-ионных батарей на 30%

Литий-ионные аккумуляторы — это пока безальтернативный вариант накопления и использования электроэнергии и совсем не удивительно, что многие научные группы работают, чтобы сделать данные устройства максимально эффективными.

Немецким ученым из технологического института Карлсруэ удалось понять механизм деградации катодов в высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторах, что позволит существенно увеличить емкость и отдачу аккумуляторов повышенной емкости.

Почему это важно

На первый взгляд звучит странно, при чем тут разгаданный механизм деградации и увеличение емкости? Да все дело в том, что без реального понимания механизма деградации катода просто невозможно успешно увеличивать емкость аккумуляторов с высокой отдачей.

А разгаданный механизм, как уверяют ученые, позволит увеличить ёмкость и отдачу сразу на 30%, что очень даже не мало.

Суть процесса деградации

На данный момент уже существуют литий-ионные аккумуляторы с повышенной отдачей и емкостью, и данное преимущество в емкости реализовано за счет того, что катоды элемента дополнительно обогащены марганцем и увеличенным количеством лития. Но такое сочетание, как показала практика, склонны к ускоренной деградации.

При обычном цикле заряд-разряд такой обогащенный катод теряет или приобретает ионы лития и высокоэнергетический материал начинает разрушаться. Буквально через несколько циклов слоистый материал катода приобретает кристаллическую структуру с нежелательными электрохимическими свойствами, что приводит к уменьшению емкости.

В результате длительных экспериментов научной группе удалось выяснить, что деградационный процесс протекает не напрямую, а косвенно, то есть через образование трудно обнаруживаемых реакций с формированием твердых литийсодержащих солей.

Помимо этого, было установлено, что в этих процессах активно участвует чистый кислород.

Кроме этого учеными были выявлены электрохимические процессы, которые никак не приводят к деградационным разрушениям катода. Вот на эти открытые процессы и делается ставка в разработке и производстве литий-ионных аккумуляторов будущего с повышенной емкостью и отдачей. Оригинальная публикация была в журнале Nature Communications.

Понравилась статья, тогда ставим лайк и подписываемся, чтобы не пропустить свежих выпусков.

Источник

Как увеличить ёмкость литий-ионного аккумулятора?

Покатавшись на электровелосипеде некоторое время, вы можете для себя обнаружить, что имеющейся батареи вам уже не хватает, и хочется проезжать на одном заряде гораздо большие расстояния.

Это возможно в двух случаях: если ёмкость батареи изначально была недостаточной, и если батарея потеряла часть своей ёмкости в процессе эксплуатации. В данной статье рассмотрим оба варианта и способы выхода из сложившейся ситуации. Перед дальнейшим чтением рекомендуем в общих чертах ознакомиться с устройством литий-ионного аккумулятора .

Дешёвый литий-ионный аккумулятор

Если электровелосипед стоил очень дёшево по отношению к аналогам, логично предположить, что он собран из комплектующих довольно низкого качества. И среди них, вероятнее всего, батарея низкой ёмкости с высоким внутренним сопротивлением.

В таком случае чаще всего самым разумным решением будет заменить батарею на новую , более ёмкую, либо продать велосипед целиком и купить новый, более высокого качества и с более ёмкой батареей.

Хотя, если в корпусе аккумулятора есть достаточно свободного места, можно собрать в нём новую батарею , более высокой ёмкости, а прежнюю попытаться продать без корпуса. Увеличивать ёмкость такой батареи не имеет смысла, так как соединив новые ячейки параллельно с ячейками сомнительного качества, через какое-то время старые ячейки начнут выходить из строя и портить новые ячейки.

Добавить ячейки к литий-ионному аккумулятору

Другое дело, если батарея в хорошем состоянии , и вы просто хотите увеличить запас хода при помощи дополнительных ячеек. В этом случае придётся добавить к каждому блоку ячеек одинаковое количество новых ячеек, подключив их параллельно.

Внимание! Данная статья не является инструкцией к действию. Автор лишь делится собственным опытом. Вся ответственность за повторение действий, описанных в статье, лежит на Вас. Будьте благоразумны и не приступайте к подобным работам, не имея соответствующей квалификации и опыта.

Предварительно необходимо убедиться в том, что напряжение на всех блоках и новых ячейках одинаковое, а перед началом работ не забыть отключить балансировочный разъём от BMS.

На схеме зелёной пунктирной линией обозначены ячейки исходной батареи, в данном случае по схеме 13S4P, а сиреневым пунктиром — дополнительные ячейки, с которыми батарея будет иметь схему 13S6P.

То есть при ёмкости одной ячейки 3 Ач, ёмкость всей батареи увеличится с 12 Ач до 18 Ач, то есть в полтора раза.

Однако такое решение подходит далеко не всегда, из-за ограниченного места в корпусе аккумулятора. Более простым способом увеличить запас хода может быть приобретение второго аккумулятора.

Вторая батарея на электровелосипед

Довольно часто у владельцев электровелосипедов возникает идея купить вторую батарею, и в этом случае непременно встаёт вопрос их правильного соединения. Первое, что обычно приходит в голову, — соединить батареи параллельно . Однако, этого не стоит делать, и вот почему.

Если в одной из батарей начнут выходить из строя некоторые ячейки (переходить в замкнутое состояние), напряжение от исправной батареи будет делиться между оставшимися ячейками первой батареи, и они будут перезаряжаться (будет превышен порог максимального напряжения 4,2 В), что довольно опасно. Тогда в лучшем случае можно остаться с двумя неисправными батареями, а то и вовсе вызвать пожар.

Более разумным вариантом будет поочерёдное использование батарей. То есть вы заряжаете обе батареи и сначала едете на одной, а когда она разрядилась, отключаете её, подключаете другую и продолжаете движение. В этом случае батареи будут работать независимо друг от друга, и неисправность одной никак не повлияет на другую.

Снизилась ёмкость литий-ионного аккумулятора

Теперь рассмотрим случай, когда батарея потеряла ёмкость в процессе эксплуатации. Это происходит, как правило, по двум основным причинам.

Первая — разбалансировка аккумулятора, когда на одной или нескольких ячейках напряжение становится выше или ниже, чем на остальных. Например, напряжение на одной из ячеек стало больше, чем на других.

Тогда эта ячейка зарядится первой и BMS остановит процесс заряда, хотя остальные ячейки заряжены не полностью, то есть аккумулятор не сможет зарядиться до своего максимального напряжения и выдать полную ёмкость на разряде. В таком случае потребуется балансировка, но об этом чуть ниже.

Вторая причина потери ёмкости — возрастание внутреннего сопротивления ячеек. И это может произойти в двух случаях — деградация из-за длительного хранения и деградация из-за нарушения температурного режима работы.

Если ячейки до сборки батареи, или уже в составе батареи, хранились в течение нескольких лет , естественные деградационные процессы, скорость которых зависит, в том числе, от условий и температуры хранения, приводят к постепенному возрастанию внутреннего сопротивления.

Если же батарея эксплуатировалась с превышением нагрузок , на которые она рассчитана, то она перегревалась, и деградация ячеек шла ускоренными темпами, в результате чего также возросло внутреннее сопротивление ячеек и аккумулятора в целом.

Чем выше внутреннее сопротивление батареи, тем хуже она отдаёт ток, и тем больше просадка напряжения при подключении нагрузки. А значит, BMS будет прерывать процесс заряда и разряда раньше, то есть ёмкость батареи снизится.

В обоих случаях (при возросшем внутреннем сопротивлении) восстановить батарею, к сожалению, не получится. Не если дело в разбалансировке — шанс есть.

Балансировка литий-ионного аккумулятора

Балансировка батареи — это выравнивание напряжений на всех её ячейках. Она может быть выполнена двумя способами. Первый — при помощи зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов, второй — использование специального зарядного устройства, подключаемого непосредственно к каждому блоку ячеек батареи.

Прежде чем перейти к подробному рассмотрению способов балансировки, стоит отметить, что если напряжение на одной или нескольких ячейках значительно отличается от напряжений на остальных, то этому должна быть причина . Например, неисправность одной или нескольких ячеек. В этом случае их нужно предварительно заменить, иначе балансировка не будет иметь смысла, так как через какое-то время проблема повторится.

Балансировка батарейным зарядным устройством

Большинство современных BMS имеют функцию балансировки, которая реализована следующим образом. Когда процесс заряда батареи близится к завершению, параллельно самой заряженной ячейке подключается балансировочный резистор, который немного разряжает эту ячейку.

Одновременно с этим, напряжение на остальных ячейках продолжает расти, и разница напряжений между ячейками аккумулятора сокращается, а через какое-то время напряжение на всех ячейках становится одинаковым. Таким образом, балансировка выполняется при каждой зарядке аккумулятора.

После зимнего хранения напряжение на ячейках может «разбежаться» настолько, что одной зарядки будет недостаточно. В этом случае необходимо оставить аккумулятор подключенным к зарядному устройству на более длительное время, например, на несколько дней или даже неделю.

Балансировка специальным зарядным устройством

В некоторых случаях балансировки аккумулятора при помощи батарейного зарядного устройства может быть недостаточно, так как процесс потребует слишком длительного времени.

Тогда применяют специализированное зарядное устройство, такое как iMax или его аналоги.

Источник