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Überladungsreaktion von Lithium-Ionen-Batterien
May 09, 2018

Überladungsreaktion von Lithium-Ionen-Batterien

Von: Batterie Universität

 

Finden Sie heraus, wie Sie die Batterielaufzeit verlängern können, indem Sie die richtigen Ladeverfahren verwenden.

Das Laden und Entladen von Batterien ist eine chemische Reaktion, aber Li-Ion wird als Ausnahme angesehen. Batteriewissenschaftler sprechen über die Energie, die als Teil der Ionenbewegung zwischen Anode und Kathode in die Batterie fließt. Dieser Anspruch trägt Vorteile, aber wenn die Wissenschaftler völlig Recht hätten, dann würde die Batterie für immer leben. Sie beschuldigen die Kapazitätsausbleichung von Ionen, die eingefangen werden, aber wie bei allen Batteriesystemen spielen interne Korrosion und andere degenerative Effekte, die auch als parasitäre Reaktionen auf dem Elektrolyten und den Elektroden bekannt sind, eine Rolle.

 

Der Li-Ionen-Lader ist ein spannungsbegrenzendes Gerät, das Ähnlichkeiten mit dem Blei-Säure-System aufweist. Die Unterschiede zu Li-Ionen liegen in einer höheren Spannung pro Zelle, engeren Spannungstoleranzen und dem Fehlen von Erhaltungs- oder Erhaltungsladung bei voller Ladung. Während Bleisäure eine gewisse Flexibilität in Bezug auf die Spannungsunterbrechung bietet, sind Hersteller von Li-Ionen-Zellen sehr streng auf die richtige Einstellung, da Li-Ionen keine Überladung akzeptieren können. Das sogenannte Wunderladegerät, das verspricht, die Batterielebensdauer zu verlängern und zusätzliche Kapazität mit Impulsen und anderen Gimmicks zu gewinnen, existiert nicht. Li-Ion ist ein "sauberes" System und nimmt nur das, was es aufnehmen kann.

 

Aufladung Cobalt-gemischtes Li-Ion

Li-Ionen mit den herkömmlichen Kathodenmaterialien von Kobalt, Nickel, Mangan und Aluminium laden typischerweise bis zu 4,20 V / Zelle. Die Toleranz beträgt +/- 50mV / Zelle. Einige nickelbasierte Varietäten laden auf 4.10V / Zelle auf; Li-Ion mit hoher Kapazität kann auf 4,30 V / Zelle und höher gehen. Eine Erhöhung der Spannung erhöht die Kapazität, aber das Überschreiten der Spezifikation belastet die Batterie und beeinträchtigt die Sicherheit. In der Packung eingebaute Schutzschaltungen erlauben kein Überschreiten der eingestellten Spannung.

 

Abbildung 1 zeigt die Spannungs- und Stromsignatur, wenn Lithium-Ionen die Stufen für konstanten Strom und Aufladung durchläuft. Die volle Ladung ist erreicht, wenn der Strom zwischen 3 und 5 Prozent der Ah-Bewertung abnimmt.

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Abbildung 1: Ladestufen von Lithium-Ionen. Li-Ion ist vollständig geladen, wenn der Strom auf einen festgelegten Wert fällt. Anstelle von Erhaltungsladung legen einige Ladegeräte eine Aufladungsladung an, wenn die Spannung abfällt.

Mit freundlicher Genehmigung von Cadex


Die empfohlene Ladungsrate einer Energiezelle liegt zwischen 0,5C und 1C; die komplette Ladezeit beträgt ca. 2-3 Stunden. Hersteller dieser Zellen empfehlen das Laden bei 0,8C oder weniger, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern; Die meisten Power Cells können jedoch eine höhere Ladungs-C-Rate mit geringer Spannung aufnehmen. Die Ladungseffizienz beträgt etwa 99 Prozent und die Zelle bleibt während des Ladens kühl.

Einige Lithium-Ionen-Packs können bei Erreichen der vollen Ladung einen Temperaturanstieg von etwa 5ºC (9 ºF) erfahren. Dies könnte auf die Schutzschaltung und / oder erhöhten Innenwiderstand zurückzuführen sein. Unterbrechen Sie die Verwendung der Batterie oder des Ladegeräts, wenn die Temperatur bei moderaten Ladegeschwindigkeiten mehr als 10 ºC (18 ºF) übersteigt.

Vollladung tritt auf, wenn die Batterie die Spannungsschwelle erreicht und der Strom auf 3% des Nennstroms fällt. Eine Batterie gilt auch als voll geladen, wenn die Stromstärke aus ist und nicht weiter sinken kann. Eine erhöhte Selbstentladung könnte die Ursache für diesen Zustand sein.

Das Erhöhen des Ladestroms beschleunigt den Vollladungszustand nicht um ein Vielfaches. Obwohl die Batterie die Spannungsspitze schneller erreicht, wird die Sättigungsladung entsprechend länger dauern. Bei höherem Strom ist Stufe 1 kürzer, aber die Sättigung in Stufe 2 wird länger dauern. Eine hohe Stromladung wird jedoch die Batterie schnell zu etwa 70 Prozent füllen.

 

Li-Ionen müssen nicht vollständig geladen werden, wie es bei Bleisäure der Fall ist, und es ist auch nicht wünschenswert, dies zu tun. In der Tat ist es besser, nicht vollständig aufzuladen, da eine hohe Spannung die Batterie belastet. Die Wahl einer niedrigeren Spannungsschwelle oder die vollständige Beseitigung der Sättigungsladung verlängert die Batterielebensdauer, verringert jedoch die Laufzeit. Ladegeräte für Verbraucherprodukte sind auf maximale Kapazität ausgelegt und können nicht angepasst werden; längere Lebensdauer wird als weniger wichtig wahrgenommen.

Einige kostengünstigere Verbraucherladegeräte können die vereinfachte "Lade-und-Lauf" -Methode verwenden, die eine Lithium-Ionen-Batterie in einer Stunde oder weniger auflädt, ohne die Sättigungsladung der Stufe 2 zu verwenden. "Bereit" erscheint, wenn die Batterie den Spannungsschwellenwert in Stufe 1 erreicht. Der Ladezustand (SoC) beträgt zu diesem Zeitpunkt ungefähr 85 Prozent, ein Pegel, der für viele Benutzer ausreichend sein kann.

Bestimmte industrielle Ladegeräte setzen die Ladespannungsschwelle absichtlich niedriger, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Tabelle 2 zeigt die geschätzten Kapazitäten bei unterschiedlichen Spannungsschwellen mit und ohne Sättigungsladung.

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Wenn die Batterie zum ersten Mal geladen wird, schießt die Spannung schnell hoch. Dieses Verhalten kann mit dem Heben eines Gewichts mit einem Gummiband verglichen werden, was eine Verzögerung verursacht. Die Kapazität wird schließlich aufholen, wenn der Akku fast vollständig geladen ist (Abbildung 3). Diese Ladecharakteristik ist typisch für alle Batterien. Je höher der Ladestrom ist, desto größer ist der Gummiband-Effekt. Kalte Temperaturen oder das Laden einer Zelle mit hohem Innenwiderstand verstärken den Effekt.

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Die Schätzung von SoC durch Ablesen der Spannung einer Ladebatterie ist unpraktisch; Ein besserer Indikator ist die Messung der Leerlaufspannung (OCV), nachdem die Batterie einige Stunden ruhte. Wie bei allen Batterien beeinflusst die Temperatur das OCV, ebenso das aktive Material von Li-Ionen. SoC von Smartphones, Laptops und anderen Geräten wird durch Coulomb-Zählung geschätzt. (Siehe 聽 BU-903: So messen Sie den Ladezustand .)

Li-Ion kann keine Überladung absorbieren. Bei voller Ladung muss der Ladestrom abgeschaltet werden. Eine kontinuierliche Erhaltungsladung würde das Plattieren von metallischem Lithium verursachen und die Sicherheit beeinträchtigen. Um Stress zu minimieren, halten Sie die Lithium-Ionen-Batterie an der Peak-Cut-off-Funktion so kurz wie möglich.

Sobald die Ladung beendet ist, beginnt die Batteriespannung zu fallen. Dies erleichtert die Spannungsbelastung. Mit der Zeit wird sich die Leerlaufspannung zwischen 3,70 V und 3,90 V / Zelle einpendeln. Beachten Sie, dass eine Li-Ionen-Batterie, die eine vollständig gesättigte Ladung erhalten hat, die Spannung länger als eine erhöht hält, die keine Sättigungsladung erhalten hat.

Wenn Lithium-Ionen-Batterien für die Betriebsbereitschaft im Ladegerät gelassen werden müssen, verwenden einige Ladegeräte eine kurze Auffüllladung, um die geringe Selbstentladung zu kompensieren, die die Batterie und ihre Schutzschaltung verbrauchen. Das Ladegerät kann einsteigen, wenn die Leerlaufspannung auf 4,05 V / Zelle abfällt und bei 4,20 V / Zelle wieder ausgeschaltet wird. Ladegeräte, die auf Betriebsbereitschaft oder Standby-Modus eingestellt sind, lassen die Batteriespannung häufig auf 4,00 V / Zelle abfallen und laden statt der vollen 4,20 V / Zelle nur 4,05 V / Zelle auf. Dies reduziert spannungsbedingte Spannungen und verlängert die Lebensdauer der Batterie.

Einige tragbare Geräte sitzen in einer Ladeschale in der ON-Position. Der Strom, der durch das Gerät gezogen wird, wird als parasitäre Last bezeichnet und kann den Ladungszyklus verzerren. Batteriehersteller raten vom Ladevorgang ab, da sie Minizyklen induzieren. Dies kann nicht immer vermieden werden, und ein Laptop, der an die AC-Hauptleitung angeschlossen ist, ist ein solcher Fall. Die Batterie könnte auf 4.20V / Zelle geladen und dann vom Gerät entladen werden. Das Belastungsniveau an der Batterie ist hoch, da die Zyklen an der Hochspannungsschwelle auftreten, oft auch bei erhöhter Temperatur.

Ein tragbares Gerät sollte während des Ladevorgangs ausgeschaltet sein. Dadurch kann die Batterie ungehindert die eingestellte Spannungsschwelle und den aktuellen Sättigungspunkt erreichen. Eine parasitäre Last verwirrt das Ladegerät, indem es die Batteriespannung herunterdrückt und verhindert, dass der Strom in der Sättigungsstufe durch Ziehen eines Leckstroms niedrig genug absinkt. Eine Batterie kann vollständig geladen sein, aber die vorherrschenden Bedingungen werden eine fortgesetzte Ladung verursachen, was zu Stress führt.

 

Laden Nicht-Kobalt-gemischtes Li-Ion

Während das traditionelle Lithium-Ion eine nominale Zellspannung von 3,60 V hat, macht Li-Phosphat (LiFePO) eine Ausnahme mit einer nominellen Zellspannung von 3,20 V und einem Laden auf 3,65 V. Relativ neu ist das Li-Titanat (LTO) mit einer Zell-Nennspannung von 2,40V und einem Ladezustand von 2,85V.

Ladegeräte für diese nicht mit Kobalt gemischten Li-Ionen sind nicht kompatibel mit regulären 3,60 Volt Li-Ionen. Es müssen Vorkehrungen getroffen werden, um die Systeme zu identifizieren und die korrekte Spannungsladung bereitzustellen. Eine 3,60-Volt-Lithiumbatterie in einem für Li-Phosphat ausgelegten Ladegerät würde keine ausreichende Ladung erhalten; Ein Li-Phosphat in einem normalen Ladegerät würde Überladung verursachen.

 

Überladen von Lithium-Ionen

Lithium-Ionen arbeitet sicher innerhalb der vorgesehenen Betriebsspannungen; Die Batterie wird jedoch instabil, wenn sie versehentlich auf eine höhere als die angegebene Spannung aufgeladen wird. Längeres Aufladen über 4,30 V auf einem Li-Ion, das für 4,20 V / Zelle ausgelegt ist, schichtet metallisches Lithium auf der Anode. Das Kathodenmaterial wird zu einem Oxidationsmittel, verliert an Stabilität und produziert Kohlendioxid (CO2). Der Zellendruck steigt an und wenn die Ladung fortgesetzt werden kann, trennt sich die Stromunterbrechungsvorrichtung (CID), die für die Zellensicherheit verantwortlich ist, bei 1.000 bis 1.380 kPa (145 bis 200 psi). Sollte der Druck weiter ansteigen, öffnet sich die Sicherheitsmembran bei einigen Li-Ionen-Impulsen bei etwa 3.450 kPa (500 psi) und die Zelle könnte schließlich mit einer Flamme entlüften.

 

Die Entlüftung mit der Flamme ist mit der erhöhten Temperatur verbunden. Eine vollständig geladene Batterie hat eine niedrigere thermische Durchschlagtemperatur und wird schneller entladen als eine, die teilweise geladen ist. Alle Lithium-basierten Batterien sind sicherer bei geringer Ladung, und deshalb werden die Behörden die Luftlieferung von Li-Ionen bei 30 Prozent Ladezustand vorschreiben, anstatt bei voller Ladung.

 

Die Schwelle für Li-Cobalt bei voller Ladung ist 130-150ºC (266-302ºF); Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) ist 170-180ºC (338-356ºF) und Li-Mangan ist etwa 250ºC (482ºF). Li-Phosphat hat ähnliche und bessere Temperaturstabilitäten als Mangan. (Siehe auch BU-304a: Sicherheitsbedenken mit Li-Ion und BU-304b: Sicherstellen der Lithium-Ionen-Sicherheit.)

Lithium-Ionen ist nicht die einzige Batterie, die ein Sicherheitsrisiko darstellt, wenn sie überladen ist. Es ist auch bekannt, dass Batterien auf Blei- und Nickelbasis schmelzen und bei unsachgemäßer Handhabung Feuer verursachen. Richtig entworfene Ladegeräte sind für alle Batteriesysteme von größter Bedeutung, und die Temperaturmessung ist ein zuverlässiger Wachmann.

Zusammenfassung

Laden von Lithium-Ionen-Batterien ist einfacher als Systeme auf Nickelbasis. Der Ladeschaltkreis ist geradlinig; Spannungs- und Strombegrenzungen lassen sich leichter bewältigen als komplexe Spannungssignaturen, die sich mit zunehmendem Alter der Batterie ändern. Der Ladungsprozess kann intermittierend sein, und Li-Ionen brauchen keine Sättigung, wie es bei Bleisäure der Fall ist. Dies bietet einen großen Vorteil für erneuerbare Energiespeicher wie ein Solarpanel und eine Windkraftanlage, die die Batterie nicht immer vollständig aufladen kann. Das Fehlen einer Erhaltungsladung vereinfacht das Ladegerät weiter. Ein Ausgleichsladegerät, wie es bei Bleisäure erforderlich ist, ist bei Li-Ionen nicht erforderlich.

Verbraucher und die meisten industriellen Lithium-Ionen-Ladegeräte laden den Akku vollständig auf. Sie bieten keine einstellbaren Ladeschlussspannungen, die die Lebensdauer von Li-Ionen verlängern würden, indem sie die Ladeschlussspannung senken und eine kürzere Laufzeit akzeptieren. Gerätehersteller befürchten, dass eine solche Option das Ladegerät verkomplizieren würde. Ausnahmen sind Elektrofahrzeuge und Satelliten , die die volle Ladung vermeiden, um eine lange Lebensdauer zu erreichen.

Einfache Richtlinien zum Laden von Lithium-basierten Batterien

· Schalten Sie das Gerät aus oder trennen Sie die Last von der Ladung, damit der Strom während der Sättigung ungehindert abfließen kann. Eine parasitäre Last verwirrt das Ladegerät.

· Laden Sie bei einer gemäßigten Temperatur auf. Laden Sie nicht bei Gefriertemperatur auf. (Siehe BU-410: Laden bei hohen und niedrigen Temperaturen )

· Lithium-Ionen müssen nicht vollständig aufgeladen werden; eine Teilladung ist besser.

· Nicht alle Ladegeräte verwenden eine volle Auffüllladung und die Batterie ist möglicherweise nicht vollständig geladen, wenn das "Bereit" -Signal erscheint. Eine 100 Prozent Ladung auf einer Tankanzeige kann eine Lüge sein.

· Verwenden Sie das Ladegerät und / oder die Batterie nicht mehr, wenn die Batterie übermäßig warm wird.

· Vor dem Lagern etwas auf eine leere Batterie auftragen (40-50% SoC ist ideal).

 

 


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