Что приводит к выходу из строя цилиндрического литиевого элемента

Как можно определить, что ячейка выходит из строя, прежде чем она выйдет из строя?

Литий-ионные элементы потерпеть неудачу тремя основными способами, каждый из которых имеет предупреждающие знаки. Понимание этого может помочь вам заменить элемент до того, как он станет угрозой безопасности.

Внутреннее короткое замыкание (самое опасное). Это происходит, когда сепаратор (тонкая пластиковая мембрана между анодом и катодом) пробивается из-за производственного дефекта (металлическая частица размером менее 0,1 мм) или дендритов (крошечных шипов металлического лития, которые со временем прорастают через сепаратор). Короткое замыкание вызывает быстрый саморазряд и нагрев. Предупреждающие знаки: напряжение элемента падает быстрее, чем у других элементов в блоке (например, у других элементов на 3,9 В, у этого — 3,2 В). Более показательно то, что элемент нагревается, когда он просто стоит без использования (выше 35°C на ощупь). Если элемент находится в устройстве и вы заметили, что один аккумуляторный отсек теплее других, это предупреждение. Полностью развитое короткое замыкание приведет к разрядке аккумулятора ниже 2,0 В. В этот момент зарядка элемента может привести к его выходу из строя (открытие предохранительного клапана) или возгоранию, потому что короткое замыкание становится внутренним нагревателем. Типичное сопротивление развивающегося короткого замыкания составляет 100–500 Ом (нормальный элемент имеет почти бесконечное сопротивление в состоянии покоя). Вы не можете измерить это, не отключив ячейки, но большая разница напряжений между соседними ячейками в блоке является лучшим подсказкой для реальной ситуации.

Потеря работоспособности (нормальное старение). Это не опасно, просто раздражает. После 300–500 полных циклов зарядки-разрядки цилиндрический литиевый элемент сохраняет около 70–80% своей первоначальной емкости. Предупреждающие знаки: ноутбук, который раньше работал 6 часов, теперь работает 3 часа. Электронный велосипед, проехавший 40 миль, теперь проезжает 28 миль. Аккумулятор заряжается до 4,2 В, но быстро разряжается. Потеря емкости вызвана утолщением межфазного слоя твердого электролита (SEI) на аноде, потребляющим часть запасов лития. Снижение производительности предсказуемо; срок службы элемента на 70% от его первоначальной емкости близок к концу, но он не опасен. Ячейку можно продолжать использовать для приложений с низким спросом (например, резервного освещения), пока она не достигнет 50–60% емкости.

Какой самый безопасный способ зарядки и разрядки цилиндрических литиевых элементов?

Литиевые элементы не похожи на старые NiMH или свинцово-кислотные батареи. Им нужны определенные пределы напряжения. Следуйте этим правилам для обеспечения максимально длительного срока службы и безопасной эксплуатации.

Никогда не разряжайте ниже 2,5 В на элемент (абсолютный минимум). Для большинства ячеек безопасный нижний предел составляет 2,8 В. При напряжении ниже 2,5 В медь из анодного токосъемника может раствориться в электролите. При перезарядке медные пластины возвращаются на анод неровными комками, вызывая микрокороткие замыкания. Ячейка, однажды разряженная до напряжения 2,0 В, может продолжать работать, но ее внутреннее сопротивление будет выше. Элемент, который находился под напряжением 1,5 В в течение месяца, следует отправить в переработку — не пытайтесь его перезарядить. Большинство систем управления батареями (BMS) отсекают разряд при напряжении 2,8–3,0 В на ячейку. Если вы используете простое устройство без BMS (например, фонарик), прекратите его использование, когда свет заметно потускнеет, и немедленно перезарядите его.

Никогда не заряжайте напряжение выше 4,2 В на элемент (для стандартных элементов). Некоторые высоковольтные элементы рассчитаны на напряжение 4,35 В, но они особенные. Зарядка до 4,3 В стандартного элемента 4,2 В сокращает срок службы примерно на 50 % — 200 циклов вместо 400. Зарядка до 4,4 В может привести к образованию литиевого покрытия на аноде (металлический литий образуется вместо интеркалирования в графит), что приводит к необратимой потере емкости и образованию дендритов. Качественное литиевое зарядное устройство отключается при напряжении 4,20 В ±0,02 В. Дешевое зарядное устройство может работать с напряжением 4,25–4,30 В. Эти дополнительные 0,1 В сокращают общий срок службы на 30–40%.

Не выполняйте быструю зарядку каждый день. Скорость зарядки 0,5C (например, зарядка аккумулятора емкостью 2000 мАч током 1000 мА) занимает около 2,5 часов и является щадящей. Зарядка током 1С (2000 мА) занимает 1,5 часа и подходит для периодического использования. Зарядка при токе 2C (4000 мА) занимает 45 минут, но сокращает срок службы на 30–40%. Аккумуляторы, которыми вы пользуетесь ежедневно (телефон, ноутбук, электровелосипед), заряжайте при температуре 0,5°C в течение ночи. Для экстренного использования допустима 1С. Для большинства цилиндрических элементов максимальная скорость заряда составляет 1C, указанная в их технических характеристиках; превышение этого значения приведет к ускоренной деградации.

Как пользователь интерпретирует номинальную емкость, напечатанную на цилиндрическом элементе?

Емкость, указанная на элементе (например, 2600 мАч, 3500 мАч, 5000 мАч), измеряется в определенных условиях, которые могут не соответствовать вашему использованию. Понимание условий поможет вам установить реалистичные ожидания.

Стандартные условия измерения: Производитель разряжает аккумулятор с 4,2 В до напряжения 2,5 В или 2,8 В постоянным током 0,2 С (например, 500 мА для аккумулятора емкостью 2500 мАч) при температуре 25°C. В этих условиях аккумулятор емкостью 2500 мАч обеспечивает около 2500 мАч. Измените любое из этих условий, и поставляемая мощность изменится.

Влияние скорости разряда (потребление тока). Если вы разрядите ту же самую батарею емкостью 2500 мАч при 1С (2500 мА), вы можете получить 2300–2400 мАч — потеря 4–8%. При 2С (5000 мА) вы можете получить 2000–2100 мАч — потеря 16–20%. Потери происходят потому, что большой ток вызывает провал напряжения. Ячейка достигает напряжения отсечки 2,5 В раньше, хотя в ячейке все еще остается заряд. Таким образом, устройство с высоким энергопотреблением (электроинструмент, вейп, воздуходувка) получит меньшую эффективную мощность, чем устройство с низким потреблением (фонарик, настенные часы).

Влияние температуры: При температуре 0 °C (32 °F) элемент емкостью 2500 мАч обеспечивает около 2000–2200 мАч (потери 12–20%). При -10°C (14°F) емкость падает до 1500–1800 мАч (потеря 28–40%). При 60°C (140°F) емкость может составлять 2400–2450 мАч (лишь небольшая потеря), но езда на велосипеде при высокой температуре быстро разрушает элемент. Таким образом, зимой аккумулятор электронного велосипеда будет чувствовать себя так, будто у него гораздо меньший запас хода — это нормально. Нагревание аккумулятора перед использованием (если возможно) восстанавливает емкость.

Эффект напряжения отсечки: Если ваше устройство останавливается на уровне 3,0 В на ячейку вместо 2,8 В, вы оставляете неиспользованными около 5–10% емкости. Это дизайнерский выбор, призванный продлить срок службы батареи. Фонарик, который тускнеет и выключается при напряжении 3,0 В, защищает элемент; устройство, которое работает до 2,5 В, имеет больше времени работы, но больше нагружает ячейку.