Литиевые аккумуляторы на морозе

Литиевый аккумулятор на морозе

Статья обновлена: 2020-08-21

Пользователи литиевых батарей не понаслышке знают, что на холоде заряд исчерпывается быстрее. Это характерно не только для аккумуляторов смартфонов. Любая литиевая батарея на морозе теряет свою емкость, а насколько – зависит от химического состава используемого электролита. Наиболее подходящими для эксплуатации в холодный период считаются батареи типа LiFePO4 – литий-железо-фосфатные. Литиевые элементы питания другого химического состава также используются зимой, но по сравнению с эксплуатацией в теплый сезон эффективность их работы падает.

Результаты измерений

«Запустились» абсолютно все аккумуляторы. Но с заметно разным результатом.

График разряда аккумуляторов при комнатной температуре и при температуре -24С

При увеличении графика видно, что аккумуляторы ведут себя совершенно по разному.
Samsung 30Q — напряжение опускается до критического значения, а кривая LG HG2 находится в штатном диапазоне напряжений.

Разряд Li-ion аккумуляторов при температуре -24С

Напряжение на Samsung 30Q проседает до минимально допустимого. Устройство работающее на аккумуляторах Samsung 30Q скорее всего не включиться на морозе.

Разряд Li-ion аккумуляторов Samsung 30Q при температуре -24С

Можно ли хранить Li-Ion аккумуляторы на морозе?

В отличие от эксплуатации, длительное хранение литиевых аккумов на морозе недопустимо. При низких температурах временно снижается токоотдача, и увеличивается скорость саморазряда источников питания. Это некритично, если после использования АКБ снова окажется в помещении с плюсовой температурой и после нагрева будет заряжена.

Но при долгом хранении на холоде быстрый саморазряд может спровоцировать критическую разрядку источника питания. А при хранении Li-Ion аккумуляторов на протяжении 3-х месяцев или более длительного срока с напряжением ниже 2,5 В емкость теряется необратимо – АКБ утрачивает способность к восполнению заряда. Поэтому заморозка литий-ионным аккумуляторам противопоказана. Оптимальная температура для их хранения– от +1 до +25 °С, допустимая – от 0 до +40 °С.

Хранить литиевые АКБ нужно в сухом месте, извлеченными из оборудования, с уровнем заряда порядка 40%. Это поможет не допустить критического снижения напряжения при саморазряде. Если же напряжение упадет ниже значения 2,5 В на элемент, последующее хранение АКБ в течение 3-х месяцев или более длительного срока приведет к невосстанавливаемому падению емкости. Может произойти и коррозия элементов. При хранении аккумуляторов более 7 дней с напряжением до2 В на элемент происходит критическое изменение их химической структуры. Такие элементы питания подлежат утилизации.

Производители техники выбрали их не случайно, главным образом потому, что аккумуляторы обладают плотностью энергии, превышающей любые другие химические батареи примерно в два с половиной раза. Современные литий-ионные батареи могут вместить порядка 150 Вт⋅ч на килограмм веса. Это означает, что они могут быть компактнее и легче, чем конкурирующие продукты, что является одной из их главных положительных особенностей.

Технически аккумуляторы данного типа содержат в своей основе графитовый анод, литий-кобальтовый оксидный катод, который может быть заменен никелем или марганцем, и жидкий карбонатный электролит с растворенными в них солями лития.

Впервые подобный тип аккумуляторов был изобретен японским ученым-химиком Акира Ёсино в 1991 году. В том же году подобные типы аккумуляторов начала выпускать корпорация Sony.

Краткий принцип работы любого литий-ионного аккумулятора следующий:

Когда батарея отдает электроэнергию, ионы лития (положительно заряженные ионы лития являются переносчиком заряда) перемещаются от графитового анода к катоду в так называемом процессе интеркаляции (обратимого включения молекулы или группы между другими молекулами или группами), который подразумевает движение электронов в одном направлении при использовании внешней цепи.

В процессе зарядки ионы лития с катода диффундируют обратно на графитовый анод.

Принцип работы Li-ion аккумулятора

Это электрохимическая реакция, которая нуждается в постоянном количестве переменных для бесперебойной эффективной работы. В противном случае она может замедлиться, прерваться или может произойти даже электрическое короткое замыкание в одном из элементов батареи.

Кратко суть работы Li-ion АКБ заключается в обеспечении оптимальных условий для перемещения ионов металла внутри системы между разнозаряженными электродами.

При этом отрицательные пластины могут производиться из различных металлов, которые позволяют настроить работу аккумуляторов под те или иные условия или необходимые параметры.

К примеру, использование оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. А вот распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью, говорится в материале о данном типе батарей на Википедии.

При низких температурах производительность значительно падает из-за замедления химической реакции в электролите. Наиболее заметным этот недуг становится не при работе АКБ (отдаче заряда), а при ее зарядке. В некоторых случаях при очень сильных отрицательных температурах заряд может остановиться практически полностью. Плюс в том случае, если аккумуляторная батарея слишком сильно охладилась, система защиты автомобиля, скорее всего, просто не позволит произвести зарядку, так как это может привести к повреждению элемента.

Срок и условия хранения литиевых аккумуляторов

Если батарее все-таки предстоит долговременное хранение, то нужно учесть ряд требований, которые сохранят работоспособность после возобновления эксплуатации:

• Хранить нужно при приблизительно 40% заряда (дополнительно это гарантирует, что элементы не взорвутся),
• Лучшая температура хранения: плюс 5-8 градусов Цельсия. Влажность не играет роли, но производители рекомендуют уровень в 50%, поэтому лучше защитить от влаги, убрав в пластиковый пакет,
• Проверять и подзаряжать АКБ следует каждые 5-6 месяцев. До все тех же 40%,
• Если есть необходимость снизить уровень заряда, то разряжать стоит любой транспорт под нагрузкой (без нее можно перегреть двигатель),
• Худшим решением будет хранить литий-ионные батареи в автомобиле, где регулярно меняется температура – последующее падение емкости гарантировано,
• При хранении АКБ в загородном доме защитите ее от грызунов, которые способны «наделать дел». Лучше убрать батареи в деревянный ящик.

Перечисленные рекомендации также подойдут, если нужно понять, как лучше хранить литиевые аккумуляторы зимой. Основная проблема обеспечения условий идеального хранения заключается в обеспечении того самого заряда в 30-40%, а именно в наличии под рукой средств для его измерения. Многочисленные форумы любителей экотранспорта советуют при покупке сразу обращать внимание на тип зарядного устройства – нужна умная зарядка с индикацией.

Проблемы

На холоде литий-ионные АКБ показывают себя плохо, они теряют емкость, рабочий ресурс резко сокращается. Происходит это из-за снижения скорости движения ионов и протекания химических реакций, что приводит к падению уровня заряда примерно на 20%. Такое явление временное, в тепле показатели АКБ возвращаются в норму. Но это верно только для батарей, эксплуатируемых при температуре не ниже -40 градусов. В противном случае в АКБ происходят необратимые изменения, батарея выходит из строя. Рекомендуемый порог -20 градусов для литий-ионных АКБ, -30 градусов для литий-железо-фосфатных. Пользоваться аккумуляторами можно, но рекомендуется соблюдать правила зарядки и хранения, не забывать, что рабочий ресурс на холоде уменьшается.

Простые правила для сохранения работоспособности АКБ

Уберечь литий-ионные батареи от преждевременного выхода из строя поможет соблюдение нижеприведенных правил:

1. Заряжайте АКБ, не дожидаясь ее глубокого разряда, при положительных температурах.
2. Не заряжайте переохлажденные источники питания. Вначале прогрейте их до комнатной температуры.
3. Используйте оригинальные зарядные устройства, рекомендованные для данной модели АКБ ее производителем.
4. Не храните литиевые батареи на морозе и при температуре выше 30 °С.
5. На длительное хранение отправляйте АКБ с уровнем заряда 35–50%.
6. Не допускайте продолжительного хранения накопителей энергии в состоянии глубокого разряда, иначе они быстро деградируют.
7. Избегайте перезаряда источника питания. Он неизбежен, если полностью зарядить АКБ в прохладе, а затем внести в более теплое помещение.

Результаты тестов

Сработали все без исключения элементы, но их результаты отличались.

На этом графике показана величина разряда батарей при комнатной температуре и при -24 ⁰С. Видно, что поведение ячеек довольно сильно отличается друг от друга.

Выдели часть графика увидим, что у батарейки 30Q значение напряжения критически опустилось, зато напряжение у элемента HG2 в пределах стандартных значений.

После изучения процесса разряда литиевых ячеек при -24 ⁰С, видно, что наблюдается просадка 30Q до минимума, который вообще допустим. Вывод можно сделать такой, что промерзший аккумуляторный инструмент на ячейках 30Q, с большой вероятностью, не станет работать на сильном холоде.

К примеру, так разряжается ячейка 30Q в -24 градуса ⁰С

Заключение

Литий-ионные аккумуляторы электротранспорта –дорогостоящая и наиболее капризная часть транспорта. Батареи требуют повышенного внимания при регулярном использовании и соблюдения целого ряда мер при длительном хранении. На первый план выходят температура окружающей сред и уровень заряда. Несмотря на то, что Li-ion-батареи деградируют с первого дня своей жизни, соблюдение перечисленных в статье рекомендаций поможет им сохранить работоспособность не один год.