Încărcarea acumulatorilor Li-Ion

Încărcarea acumulatorilor Li-Ion În acumulatori, încărcarea şi descărcarea este o reacţie chimică, dar se spune că acumulatorii Li-Ion sunt o excepţie de la aceasta. În cazul acestora, experţii în domeniul acumulatorilor vorbesc despre energiile care curg în interior şi în exterior ca fiind parte a mişcării ionice între anod şi catod. Într-o oarecare măsură, această afirmaţie este adevărată, iar în cazul în care oamenii de ştiinţă au dreptate, atunci acumulatorul ar trebui să dureze veşnic. Totuşi acest lucru este numai o iluzie. Experţii dau vina pe slăbirea ionilor care sunt prinşi precum într-o capcană. Pentru simplificare, vom lua în considerare îmbătrânirea din cauza coroziunii care afectează toate sistemele de acumulatori. Încărcătorul pentru acumulatori Li-Ion este un dispozitiv limitator de tensiune, asemănător cu cel pentru acumulatorii cu Plumb. Diferenţa constă în debitarea unei tensiuni mai mari pentru fiecare element, toleranţa redusă a diferenţei faţă de tensiunea nominală de încărcare şi lipsa pierderii sau variaţia tensiunii la încărcarea maximă. În timp ce acumulatorii plumb-acid oferă o anumită flexibilitate în ceea ce priveşte tensiunea limită, producătorii de acumulatori Li-Ion sunt foarte stricţi în ceea ce priveşte stabilirea acestei tensiuni limită pentru că acumulatorii Li-Ion nu acceptă supraîncărcarea. Cu toate acestea, nu există un încărcător minune care să promită prelungirea vieţii acumulatorului şi metode care să pompeze o capacitate suplimentară în acumulator. Sistemul Li-Ion este unul „curat” şi poate debita numai ceea ce absoarbe. Acesta nu acceptă forţări peste limite. Majoritatea acumulatorilor se încarcă cu 4,2 V/element, cu o toleranţă de ±50 mV/element. O tensiune mai mare ar putea spori capacitatea, dar oxidarea ce rezultă în urma acestei creşteri a tensiunii de încărcare ar reduce durata de viaţă a acumulatorului. Este foarte importantă problema siguranţei în cazul în care tensiunea de încărcare trece dincolo de limita de 4,2 V/element. În figura 1 se poate vedea diagrama tensiunii şi curentului, etapele prin care trece acumulatorul Li-Ion şi curentul constant de încărcare şi încărcarea maximă.

Figura 1. Etapele de încărcare ale acumulatorului Li-Ion

1

Acumulatorul Li-Ion este complet încărcat atunci când curentul scade până la un nivel predeterminat sau până la nivelul de la terminarea Stadiului 2 de încărcare. În loc să scadă încărcarea, unele dintre încărcătoare aplică o încărcare ocazională atunci când tensiunea acumulatorului scade către valoarea de 4,05 V/element (Stadiul 4). Rata de încărcare la acumulatorii Li-Ion obişnuiţi este între 0,5 şi 1C în Stadiul 1, iar timpul de încărcare la maxim este de aproximativ 3 ore. Producătorii recomandă încărcarea acumulatorului de tip 18650 până la 0,8C sau mai puţin. Astfel, eficienţa încărcării este de 97 până la 99 la sută, iar celula rămâne rece în timpul încărcării. Unele pachete de acumulatori Li-Ion pot avea o creştere a temperaturii de circa 5ºC atunci când se ajunge la încărcarea maximă. Acest lucru se poate datora circuitului de protecţie încorporat şi/sau rezistenţei interne prea mari. Încărcarea este completă atunci când acumulatorul atinge pragul de tensiune iar curentul scade până la trei procente din curentul nominal de încărcare. De asemenea, un acumulator este considerat complet încărcat atunci când nivelul curentului de încărcare a scăzut şi nu coboară mai jos de 3%. O auto-descărcare pronunţată ar putea fi cauza acestei scăderi sub limita de 3%. Creşterea curentului de încărcare nu va accelera prea mult încărcarea maximă a acumulatorului. Cu toate că acumulatorul va ajunge la tensiunea maximă în timp mai scurt, încărcarea până la saturaţie nu va ţine prea mult. Creşterea nivelului curentului de încărcare modifică pur şi simplu timpul necesar fiecărei etape; Stadiul 1 va fi mai scurt, dar Stadiul 2 va fi mai lung. Cu toate acestea, un nivel mai ridicat al curentului va încărca mai rapid acumulatorul până la un nivel de aproape 70%. Acumulatorii Li-Ion nu trebuie să fie complet încărcaţi, aşa cum este şi cazul acumulatorilor cu plumb-acid, şi nici nu este de dorit acest lucru. De fapt, este mai bine ca aceştia să nu fie complet încărcaţi, pentru că tensiunea prea mare a acestora îi suprasolicită. Alegerea unei tensiuni de prag mai mică sau eliminarea completă a încărcării până la saturaţie, aceasta prelungeşte durata de funcţionare a acumulatorului dar în acelaşi timp reduce şi durata de folosinţă a acumulatorului după o încărcare. Având în vedere faptul că piaţa de consum promovează o folosire la maximum a acumulatoarelor, aceste încărcătoare sunt construite să le încarce la capacitatea maximă în loc să le extindă durata de folosinţă. Unele dintre încărcătoarele ieftine, de larg consum, par să folosească metoda simplificată de încărcare şi folosire imediată a acumulatorului, cea care presupune încărcarea unui acumulator LiIon în timp de o oră sau chiar mai puţin, fără a mai ţine cont de Stadiul 2, cel de saturaţie a încărcării. Acumulatorul pare astfel să fie „pregătit”, gata încărcat, atunci când acesta atinge pragul de tensiune de la Stadiul 1. Având în vedere starea de încărcare (SoC, State-of-Charge) din acest punct, acesta este numai de 85%, iar utilizatorul se va plânge de un timp prea scurt de funcţionare între două cicluri de încărcare a acumulatorului (sau al pachetului de acumulatoare), neştiind că de fapt încărcătorul este de vină pentru acest lucru. Din acest motiv, mulţi dintre acumulatori sunt înlocuiţi în timp ce se află încă în perioada de garanţie, iar acest fenomen este destul de comun în industria (telefoniei) celulare. Evitarea încărcării la maxim are şi beneficii, iar unii dintre producători au stabilit un prag mai mic al încărcării tocmai în scopul de a prelungi durata de viaţă a acumulatorului. Tabelul 1 ilustrează capacităţile estimate atunci când încărcarea se face la diferite praguri ale tensiunii cu şi fără încărcarea de saturaţie. Încărcare Capacitate la
 Timpul de Capacitate cu (V/element) tensiunea limită încărcare saturaţie completă 3.80 60% 120 min. 65% 3.90 70% 135 min. 76% 4.00 75% 150 min. 82% 4.10 80% 165 min. 87% 4.20 85% 180 min. 100% Tabelul 1. Caracteristicile tipice de încărcare a acumulatorului Li-Ion

2

Prin saturaţie completă, la tensiunea maximă, se măreşte capacitatea acumulatorului, dar în acelaşi timp apare şi efectulă de „oboseală”, de forţare a limitelor acestuia din cauza tensiunii prea mari. Atunci când acumulatorul descărcat este pus la încărcare, tensiunea pe bornele acestuia creşte rapid. Acest comportament poate fi comparat cu ridicarea unei greutăţi mari cu ajutorul unei benzi elastice. Braţul ridicător se deplasează repede în sus, dar greutatea rămâne în urmă. Tensiunea de încărcare de pe bornele acumulatorului se va stabiliza numai atunci când acesta este încărcat aproape complet (vezi Figura 3). Această caracteristică a încărcării este tipică pentru toate tipurile de acumulatori.

Figura 2. Variaţia capacităţii de încărcare în funcţie de tensiune într-un acumulator Li-Ion Capacitatea de încărcare este în funcţie de tensiunea de încărcare, precum în cazul ridicării unei greutăţi mare cu ajutorul unei benzi elastice. Dacă luăm în calcul că aceasta este o tensiune cu circuit închis (CCV, Closed Circuit Voltage), este imposibilă citirea capacităţii de încărcare în timpul încărcării. Poate fi totuşi citită tensiunea de circuit deschis (OCV, Open Circuit Voltage), aceasta putând fi de folos pentru a predetermina starea de încărcare (SoC, State-of-Charge) după ce bateria încărcată a stat nefolosită timp de câteva ore. În perioada de repaus se relaxează agitaţia (ionică) din acumulator, acesta recăpătându-şi astfel o anumită stare de echilibru. În mod similar, în cazul tuturor tipurilor de acumulatori, temperatura influenţează tensiunea de circuit deschis (OCV). Acumulatorii Li-Ion nu pot absorbi supraîncărcarea, astfel că, atunci când aceştia sunt complet încărcaţi, curentul trebuie să fie oprit. O continuare a încărcării ar face ca litiul metalic placat să se scurgă în exterior şi să compromită siguranţa la încărcare a acumulatorului. Pentru a minimiza forţarea acestuia, acumulatorul se păstrează la o încărcare de vârf de 4,20 V/element cât mai scurt timp posibil. Îndată ce încărcarea este terminată, tensiunea acumulatorului începe să scadă şi acest lucru va determina eliberarea din supratensiunea în care se află. Odată cu trecerea timpului, tensiunea de circuit deschis se va stabiliza între 3,60 şi 3,90 V/element. De reţinut este faptul că, un acumulator Li-Ion care a primit o încărcare completă, în mod saturat, îşi va menţine la borne o tensiune mai mare şi pentru o perioadă mai lungă de timp decât unul care a fost încărcat în mod rapid şi cu încărcarea terminată la pragul de tensiune fără saturaţia încărcării. 3

Atunci când un acumulator trebuie să fie lăsat la încărcare pentru utilizarea ulterioară după un timp mai îndelungat, anumite încărcătoare au capabilitatea de a aplica o încărcare scurtă pentru compensarea slabei auto-descărcări a acumulatorului şi pentru compensarea consumului circuitului de protecţie al acumulatorului. Încărcătorul poate face un salt al tensiunii atunci când tensiunea de circuit deschis scade până la nivelul de 4,05 V/element, pentru a o ridica înapoi la 4,20 V/element. Încărcătoarele sunt construite pentru modul de încărcare operaţională a acumulatorul şi pentru modul de depozitare (stand-by), acest mod standby lasă adesea tensiunea din acumulator la valoarea de 4 V/element în loc să o încarce la maxim cu 4,20 V/element. Acest lucru reduce solicitarea în tensiune a acumulatorului, prelungind astfel durata de viaţă a acestuia. Anumite dispozitive portabile alimentate cu acumulatori Li-Ion rămân într-o poziţie de echilibru şi pe poziţia cuplat. Curentul absorbit de aceste tipuri de aparatură se numeşte sarcină parazită şi poate induce în eroare ciclul de încărcare al acumulatorului. Producătorii de acumulatori au sfaturi împotriva acestei sarcini parazite din cauză că aceasta poate induce mini-cicluri de încărcare sau cicluri incomplete. Astfel, acumulatorul este în mod continuu descărcat sub tensiunea de 4,20 V/element prin încărcător. În acest caz, nivelul de suprasolicitare pe acumulator este destul de mare din cauza ciclurilor care scad sub pragul de 4,20 V/element. Aparatura portabilă alimentată cu acumulatori trebuie oprită în timpul cât se face încărcarea acumulatorilor. Acest lucru permite ca acumulatorul să ajungă în mod nestingherit la tensiunea de prag şi astfel, încărcarea cu un curent redus. O sarcină parazită „derutează” încărcătorul, luând-o în calcul ca şi cum aceasta ar fi de fapt tensiunea acumulatorului, se omite astfel stadiul când curentul trebuie să ajungă la nivelul de saturaţie, acesta scăzând. Astfel, un acumulator poate fi complet încărcat, în condiţiile acestea el „solicitând” din partea încărcătorului ca încărcarea să continue. Acest lucru duce la suprasolicitarea nejustificată a acumulatorului şi la compromiterea siguranţei în folosire. Profesioniştii în domeniul acumulatorilor sunt de acord că încărcarea celor Li-Ion este mai simplă şi mai lesne de realizat decât în cazul acumulatorilor pe bază de Nichel. Având în vedere toleranţele în legătură cu tensiunea, circuitele de încărcare sunt relativ simple. Limitarea tensiunii şi ţinerea sub observaţie a decuplării de la încărcare este mai uşor de făcut decât analiza complexă a acumulatorului care se poate modifica odată cu „îmbătrânirea” acumulatorului. Curenţii de încărcare în cazul acumulatorilor Li-Ion sunt mai puţin critici şi pot varia foarte mult. Se pot încărca în orice mod, inclusiv din surse de energie regenerabilă cu ar fi panourile solare sau turbinele eoliene. Absorbţia la încărcare este foarte mare şi de asemenea se pot încărca lent şi intermitent, încărcarea este pur şi simplu mai îndelungată, fără să afecteze în mod negativ acumulatorul. Lipsa încărcării prelungite este de ajutor în simplificarea încărcătorului.

Supraîncărcarea acumulatorilor Li-Ion Acumulatorii Li-Ion operează în siguranţă atunci când sunt încărcaţi cu tensiunea stabilită; dacă aceasta este depăşită, acumulatorul devenind instabil dacă din neglijenţă este încărcat cu o tensiune mai mare decât cea specificată de producător. Încărcarea în mod prelungit cu o tensiune mai mare de 4,30 V formează o depunere de Litiu metalic pe anodul acumulatorului în timp ce catodul devine un material care degajă un material oxidant, acesta îşi pierde stabilitatea şi produce dioxid de carbon (CO2). Presiunea în element va creşte, iar dacă încărcarea va continua, se activează sistemul încorporat de întrerupere a curentului (CID, Current Interrupt Device), cel care stabileşte deconectarea de siguranţă a curentului de încărcare când presiunea în element depăşeşte 1.380 kPa (13,6 atm). În cazul în care presiunea creşte în continuare, o membrană de siguranţă se va străpunge deschizându-se la o presiune de 3.450 kPa (34 atm), iar elementul se va putea ventila în cele din urmă cu emanaţia unei flăcări. Se activează siguranţa termică atunci când acumulatorul este complet încărcat pentru acumulatorii Li-Cobalt de la pragul de 130-150ºC, pentru NMC (Nichel-ManganCobalt) de la 170-180ºC, pentru cei cu Mangan de la 250ºC în sus. Cei cu Litiu Fosfat (LiFePo4) au stabilitate de temperatură similară şi chiar mai bună decât cei cu Mangan. Acumulatorul cu Li-Ion nu este numai o baterie, este şi un risc pentru siguranţă dacă este 4

supraîncărcată. Cei cu Plumb şi cei pe bază de Nichel sunt de asemenea cunoscuţi pentru că se topesc şi pot produce incendii atunci când sunt manevraţi necorespunzător. De asemenea, pot fi amintiţi aici şi acumulatorii pe bază de Nichel pentru problemele lor de siguranţă. Este extrem de importantă proiectarea încărcătoarelor pentru toate tipurile de acumulatori.

Descărcarea în exces a acumulatorilor Li-Ion Acumulatorii Li-Ion nu ar trebui să fie niciodată descărcaţi prea mult şi există vreo câteva măsuri de protecţie pentru a preveni acest lucru. Echipamentul alimentat cu acumulatori Li-Ion este în general prevăzut cu sistem de protecţie care opreşte alimentarea atunci când acumulatorii au ajuns în jur de 3 V/element. În cazul în care descărcarea continuă până la 2,7 V/element sau chiar mai jos, circuitul de protecţie al acumulatorului îl pune într-un mod de aşteptare. Acest mod face ca bateria de acumulatori să fie inutilizabilă, nemaifiind posibilă o ulterioară încărcare a acesteia. Pentru a preveni intrarea în modul de aşteptare a acumulatorului sau bateriei de acumulatori, se aplică o încărcare parţială înainte de o perioadă lungă de depozitare şi nefolosire a acestora. Producătorii de acumulatoare Li-Ion recomandă o încărcare de 40 % din capacitatea maximă pentru modul de depozitare şi nefolosire a acumulatorilor. Starea de încărcare parţială reduce perioada în legătură cu îmbătrânirea acumulatorului, permiţând în acelaşi timp o anumită autodescărcare în timpul depozitării. Pentru a minimiza curentul scurs prin intermediul circuitului de protecţie al acumulatorului înainte ca acesta să fie vândut, pachetele, bateriile de acumulatori Li-Ion mai avansate sunt prevăzute cu un mod de aşteptare care se dezactivează în momentul primei încărcărcări sau descărcări a acestora. Odată dezactivat acest mod, acumulatorul rămâne operaţional şi nu mai poate fi adus înapoi în modul de aşteptare. Nu reîncărcaţi acumulatorii Li-Ion dacă unul dintre elementele pachetului de acumulatori a rămas la 1,5 V sau mai puţin, pentru mai mult timp de o săptămână. Pot apărea în interiorul elementului şunturi care se vor transforma într-un scurt-circuit parţial sau total. Dacă sunt reîncărcate, aceste elemente vor deveni instabile, se vor încălzi în mod excesiv sau vor prezenta alte anomalii. Pachetele de acumulatori care au fost suprasolicitate sunt mai sensibile la vibraţii mecanice şi expuneri de mari variaţii ale temperaturii.

Încărcarea acumulatorilor Li-Ion-Polimer Încărcarea acumulatorilor Li-Ion-Polimer care sunt denumiţi adesea şi Li-Polymer, este foarte asemănătoare cu cea a acumulatorilor Li-Ion obişnuiţi şi nu sunt necesare modificări de algoritm în ceea ce priveşte încărcarea acestora. Cei mai mulţi dintre utilizatorii acestora nici nu vor şti dacă ceea ce folosesc sunt de tip Li-Ion sau Li-Polymer. Cuvântul „polimer” a fost folosit pentru promovarea acestora şi nu reflectă atribute speciale, altele decât cele care se cunosc în legătură cu vreun mod diferit pentru modul standard de construcţie al celor de tip Li-Ion. Majoritatea acumulatorilor Polimer se bazează pe o arhitectură hibrid, una care este un amestec între Li-Ion şi Li-Polymer. Există mai multe variaţii în tipurile de acumulatori Polimer, iar adevăratul acumulator Li-Polymer uscat se află pe piaţă de mulţi ani. De asemenea, se cunoaşte termenul de „acumulatori cu plastic”, acesta a fost anunţat pe piaţă pentru prima dată la începutul anului 2000, dar nu a fost niciodată capabil să atingă proprietăţile necesare pentru a fi folosit în multele aplicaţii la temperatura ambientală.

Instrucţiuni pentru încărcarea acumulatorilor pe bază de Litiu • Aparatul alimentat cu acest tip de acumulatori ar trebui oprit în timpul încărcării.

• • •

Acest lucru permite acumulatorului să ajungă în mod nestingherit la tensiunea de prag şi să indice în mod corect încărcătorului curentul de saturaţie la terminarea încărcării. O sarcină parazită induce confuzie încărcătorului; Încărcaţi acumulatorul la temperatură moderată. Nu încărcaţi sub pragul de îngheţ; Acumulatorii Li-Ion nu trebuie încărcaţi complet; este mai bună o încărcare parţială; Încărcătoarele folosesc metode diferite pentru indicarea terminării încărcării; 5

• • •

Indicatorul luminos nu indică întotdeauna terminarea completă a încărcării; Opreşte încărcătorul sau/şi încărcarea acumulatorului în cazul în care acesta este foarte cald; Înainte de o depozitare prelungită a acumulatorului, se aplică acestuia o anumită încărcare prin care se aduce întregul pachet de acumulatori la aproximativ jumătate din încărcarea completă; O descărcare în exces a acumulatorului îl poate „revigora” din nou (dar nu în toate cazurile). Nu mai folosiţi pachetul de acumulatori dacă tensiunea nu se ridică la un nivel normal după aproximativ un minut de la conectarea la încărcător. Traducere de Victor S. 2014

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

6