Încărcarea acumulatorilor Li-Ion

În acumulatori, încărcarea şi descărcarea este o reacţie chimică, dar se spune că acumulatoriiLi-Ion sunt o excepţie de la aceasta. În cazul acestora, experţii în domeniul acumulatorilor vorbescdespre 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 audreptate, 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 deacumulatori.

Încărcătorul pentru acumulatori Li-Ion este un dispozitiv limitator de tensiune, asemănătorcu cel pentru acumulatorii cu Plumb. Diferenţa constă în debitarea unei tensiuni mai mari pentrufiecare element, toleranţa redusă a diferenţei faţă de tensiunea nominală de încărcare şi lipsapierderii sau variaţia tensiunii la încărcarea maximă. În timp ce acumulatorii plumb-acid oferă oanumită flexibilitate în ceea ce priveşte tensiunea limită, producătorii de acumulatori Li-Ion suntfoarte stricţi în ceea ce priveşte stabilirea acestei tensiuni limită pentru că acumulatorii Li-Ion nuacceptă supraîncărcarea. Cu toate acestea, nu există un încărcător minune care să promităprelungirea vieţii acumulatorului şi metode care să pompeze o capacitate suplimentară înacumulator. Sistemul Li-Ion este unul „curat” şi poate debita numai ceea ce absoarbe. Acesta nuacceptă 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 atensiunii de încărcare ar reduce durata de viaţă a acumulatorului. Este foarte importantă problemasiguranţei în cazul în care tensiunea de încărcare trece dincolo de limita de 4,2 V/element. În figura1 se poate vedea diagrama tensiunii şi curentului, etapele prin care trece acumulatorul Li-Ion şicurentul 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 nivelpredeterminat sau până la nivelul de la terminarea Stadiului 2 de încărcare. În loc să scadăîncărcarea, unele dintre încărcătoare aplică o încărcare ocazională atunci când tensiuneaacumulatorului scade către valoarea de 4,05 V/element (Stadiul 4). Rata de încărcare la acumulatoriiLi-Ion obişnuiţi este între 0,5 şi 1C în Stadiul 1, iar timpul de încărcare la maxim este deaproximativ 3 ore. Producătorii recomandă încărcarea acumulatorului de tip 18650 până la 0,8Csau mai puţin. Astfel, eficienţa încărcării este de 97 până la 99 la sută, iar celula rămâne rece întimpul încărcării. Unele pachete de acumulatori Li-Ion pot avea o creştere a temperaturii de circa5ºC atunci când se ajunge la încărcarea maximă. Acest lucru se poate datora circuitului de protecţieîncorporat şi/sau rezistenţei interne prea mari. Încărcarea este completă atunci când acumulatorulatinge 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 deîncărcare a scăzut şi nu coboară mai jos de 3%. O auto-descărcare pronunţată ar putea fi cauzaacestei scăderi sub limita de 3%.

Creşterea curentului de încărcare nu va accelera prea mult încărcarea maximă aacumulatorului. 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 încărcaremodifică pur şi simplu timpul necesar fiecărei etape; Stadiul 1 va fi mai scurt, dar Stadiul 2 va fimai lung. Cu toate acestea, un nivel mai ridicat al curentului va încărca mai rapid acumulatorul pânăla un nivel de aproape 70%.

Acumulatorii Li-Ion nu trebuie să fie complet încărcaţi, aşa cum este şi cazul acumulatorilorcu plumb-acid, şi nici nu este de dorit acest lucru. De fapt, este mai bine ca aceştia să nu fie completîncărcaţi, pentru că tensiunea prea mare a acestora îi suprasolicită. Alegerea unei tensiuni de pragmai mică sau eliminarea completă a încărcării până la saturaţie, aceasta prelungeşte durata defuncţionare a acumulatorului dar în acelaşi timp reduce şi durata de folosinţă a acumulatorului dupăo încărcare. Având în vedere faptul că piaţa de consum promovează o folosire la maximum aacumulatoarelor, aceste încărcătoare sunt construite să le încarce la capacitatea maximă în loc să leextindă durata de folosinţă.

Unele dintre încărcătoarele ieftine, de larg consum, par să folosească metoda simplificată deîncărcare şi folosire imediată a acumulatorului, cea care presupune încărcarea unui acumulator Li-Ion în timp de o oră sau chiar mai puţin, fără a mai ţine cont de Stadiul 2, cel de saturaţie aîncărcării. Acumulatorul pare astfel să fie „pregătit”, gata încărcat, atunci când acesta atinge pragulde tensiune de la Stadiul 1. Având în vedere starea de încărcare (SoC, State-of-Charge) din acestpunct, acesta este numai de 85%, iar utilizatorul se va plânge de un timp prea scurt de funcţionareîntre două cicluri de încărcare a acumulatorului (sau al pachetului de acumulatoare), neştiind că defapt încărcătorul este de vină pentru acest lucru. Din acest motiv, mulţi dintre acumulatori suntînlocuiţi în timp ce se află încă în perioada de garanţie, iar acest fenomen este destul de comun înindustria (telefoniei) celulare.

Evitarea încărcării la maxim are şi beneficii, iar unii dintre producători au stabilit un pragmai mic al încărcării tocmai în scopul de a prelungi durata de viaţă a acumulatorului. Tabelul 1ilustrează capacităţile estimate atunci când încărcarea se face la diferite praguri ale tensiunii cu şifără încărcarea de saturaţie.

Încărcare(V/element)

Capacitate la tensiunea limită

Timpul deîncărcare

Capacitate cusaturaţie completă

3.803.904.004.104.20

60%70%75%80%85%

120 min.135 min.150 min.165 min.180 min.

65%76%82%87%

100%Tabelul 1. Caracteristicile tipice de încărcare a acumulatorului Li-Ion

2

Prin saturaţie completă, la tensiunea maximă, se măreşte capacitatea acumulatorului, dar înacelaşi timp apare şi efectulă de „oboseală”, de forţare a limitelor acestuia din cauza tensiunii preamari.

Atunci când acumulatorul descărcat este pus la încărcare, tensiunea pe bornele acestuiacreşte rapid. Acest comportament poate fi comparat cu ridicarea unei greutăţi mari cu ajutorul uneibenzi elastice. Braţul ridicător se deplasează repede în sus, dar greutatea rămâne în urmă. Tensiuneade încărcare de pe bornele acumulatorului se va stabiliza numai atunci când acesta este încărcataproape complet (vezi Figura 3). Această caracteristică a încărcării este tipică pentru toate tipurilede 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 ridicăriiunei greutăţi mare cu ajutorul unei benzi elastice.

Dacă luăm în calcul că aceasta este o tensiune cu circuit închis (CCV, Closed CircuitVoltage), este imposibilă citirea capacităţii de încărcare în timpul încărcării. Poate fi totuşi cititătensiunea de circuit deschis (OCV, Open Circuit Voltage), aceasta putând fi de folos pentru apredetermina starea de încărcare (SoC, State-of-Charge) după ce bateria încărcată a stat nefolositătimp de câteva ore. În perioada de repaus se relaxează agitaţia (ionică) din acumulator, acestarecăpătându-şi astfel o anumită stare de echilibru. În mod similar, în cazul tuturor tipurilor deacumulatori, temperatura influenţează tensiunea de circuit deschis (OCV).

Acumulatorii Li-Ion nu pot absorbi supraîncărcarea, astfel că, atunci când aceştia suntcomplet încărcaţi, curentul trebuie să fie oprit. O continuare a încărcării ar face ca litiul metalicplacat să se scurgă în exterior şi să compromită siguranţa la încărcare a acumulatorului. Pentru aminimiza forţarea acestuia, acumulatorul se păstrează la o încărcare de vârf de 4,20 V/element câtmai scurt timp posibil.

Îndată ce încărcarea este terminată, tensiunea acumulatorului începe să scadă şi acest lucruva determina eliberarea din supratensiunea în care se află. Odată cu trecerea timpului, tensiunea decircuit deschis se va stabiliza între 3,60 şi 3,90 V/element. De reţinut este faptul că, un acumulatorLi-Ion care a primit o încărcare completă, în mod saturat, îşi va menţine la borne o tensiune maimare şi pentru o perioadă mai lungă de timp decât unul care a fost încărcat în mod rapid şi cuîncărcarea terminată la pragul de tensiune fără saturaţia încărcării.

3

Atunci când un acumulator trebuie să fie lăsat la încărcare pentru utilizarea ulterioară dupăun timp mai îndelungat, anumite încărcătoare au capabilitatea de a aplica o încărcare scurtă pentrucompensarea slabei auto-descărcări a acumulatorului şi pentru compensarea consumului circuituluide protecţie al acumulatorului. Încărcătorul poate face un salt al tensiunii atunci când tensiunea decircuit 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 pentrumodul de depozitare (stand-by), acest mod standby lasă adesea tensiunea din acumulator la valoareade 4 V/element în loc să o încarce la maxim cu 4,20 V/element. Acest lucru reduce solicitarea întensiune a acumulatorului, prelungind astfel durata de viaţă a acestuia.

Anumite dispozitive portabile alimentate cu acumulatori Li-Ion rămân într-o poziţie deechilibru şi pe poziţia cuplat. Curentul absorbit de aceste tipuri de aparatură se numeşte sarcinăparazită şi poate induce în eroare ciclul de încărcare al acumulatorului. Producătorii de acumulatoriau sfaturi împotriva acestei sarcini parazite din cauză că aceasta poate induce mini-cicluri deîncărcare sau cicluri incomplete. Astfel, acumulatorul este în mod continuu descărcat sub tensiuneade 4,20 V/element prin încărcător. În acest caz, nivelul de suprasolicitare pe acumulator este destulde 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 încărcareaacumulatorilor. Acest lucru permite ca acumulatorul să ajungă în mod nestingherit la tensiunea deprag şi astfel, încărcarea cu un curent redus. O sarcină parazită „derutează” încărcătorul, luând-o încalcul ca şi cum aceasta ar fi de fapt tensiunea acumulatorului, se omite astfel stadiul când curentultrebuie să ajungă la nivelul de saturaţie, acesta scăzând. Astfel, un acumulator poate fi completîncărcat, în condiţiile acestea el „solicitând” din partea încărcătorului ca încărcarea să continue.Acest lucru duce la suprasolicitarea nejustificată a acumulatorului şi la compromiterea siguranţei înfolosire.

Profesioniştii în domeniul acumulatorilor sunt de acord că încărcarea celor Li-Ion este maisimplă şi mai lesne de realizat decât în cazul acumulatorilor pe bază de Nichel. Având în vederetoleranţele în legătură cu tensiunea, circuitele de încărcare sunt relativ simple. Limitarea tensiunii şiţinerea sub observaţie a decuplării de la încărcare este mai uşor de făcut decât analiza complexă aacumulatorului care se poate modifica odată cu „îmbătrânirea” acumulatorului. Curenţii deîncărcare în cazul acumulatorilor Li-Ion sunt mai puţin critici şi pot varia foarte mult. Se pot încărcaîn orice mod, inclusiv din surse de energie regenerabilă cu ar fi panourile solare sau turbineleeoliene. 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. Lipsaîncărcării prelungite este de ajutor în simplificarea încărcătorului.

Supraîncărcarea acumulatorilor Li-IonAcumulatorii 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 otensiune mai mare decât cea specificată de producător. Încărcarea în mod prelungit cu o tensiunemai mare de 4,30 V formează o depunere de Litiu metalic pe anodul acumulatorului în timp cecatodul devine un material care degajă un material oxidant, acesta îşi pierde stabilitatea şi producedioxid de carbon (CO2). Presiunea în element va creşte, iar dacă încărcarea va continua, seactivează sistemul încorporat de întrerupere a curentului (CID, Current Interrupt Device), cel carestabileşte deconectarea de siguranţă a curentului de încărcare când presiunea în element depăşeşte1.380 kPa (13,6 atm).

În cazul în care presiunea creşte în continuare, o membrană de siguranţă se va străpungedeschizându-se la o presiune de 3.450 kPa (34 atm), iar elementul se va putea ventila în cele dinurmă cu emanaţia unei flăcări. Se activează siguranţa termică atunci când acumulatorul este completîncărcat pentru acumulatorii Li-Cobalt de la pragul de 130-150ºC, pentru NMC (Nichel-Mangan-Cobalt) de la 170-180ºC, pentru cei cu Mangan de la 250ºC în sus. Cei cu Litiu Fosfat (LiFePo4) austabilitate 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 setopesc şi pot produce incendii atunci când sunt manevraţi necorespunzător. De asemenea, pot fiamintiţi aici şi acumulatorii pe bază de Nichel pentru problemele lor de siguranţă. Este extrem deimportantă proiectarea încărcătoarelor pentru toate tipurile de acumulatori.

Descărcarea în exces a acumulatorilor Li-IonAcumulatorii 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 esteîn general prevăzut cu sistem de protecţie care opreşte alimentarea atunci când acumulatorii auajuns în jur de 3 V/element. În cazul în care descărcarea continuă până la 2,7 V/element sau chiarmai jos, circuitul de protecţie al acumulatorului îl pune într-un mod de aşteptare. Acest mod face cabateria 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, seaplică 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 maximăpentru modul de depozitare şi nefolosire a acumulatorilor. Starea de încărcare parţială reduceperioada în legătură cu îmbătrânirea acumulatorului, permiţând în acelaşi timp o anumită auto-descărcare în timpul depozitării. Pentru a minimiza curentul scurs prin intermediul circuitului deprotecţie al acumulatorului înainte ca acesta să fie vândut, pachetele, bateriile de acumulatori Li-Ionmai avansate sunt prevăzute cu un mod de aşteptare care se dezactivează în momentul primeiîncărcărcări sau descărcări a acestora. Odată dezactivat acest mod, acumulatorul rămâne operaţionalşi nu mai poate fi adus înapoi în modul de aşteptare.

Nu reîncărcaţi acumulatorii Li-Ion dacă unul dintre elementele pachetului de acumulatori arămas la 1,5 V sau mai puţin, pentru mai mult timp de o săptămână. Pot apărea în interiorulelementului şunturi care se vor transforma într-un scurt-circuit parţial sau total. Dacă suntreîncărcate, aceste elemente vor deveni instabile, se vor încălzi în mod excesiv sau vor prezenta alteanomalii. Pachetele de acumulatori care au fost suprasolicitate sunt mai sensibile la vibraţiimecanice şi expuneri de mari variaţii ale temperaturii.

Încărcarea acumulatorilor Li-Ion-PolimerÎncărcarea 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 dealgoritm în ceea ce priveşte încărcarea acestora. Cei mai mulţi dintre utilizatorii acestora nici nu vorşti dacă ceea ce folosesc sunt de tip Li-Ion sau Li-Polymer. Cuvântul „polimer” a fost folosit pentrupromovarea acestora şi nu reflectă atribute speciale, altele decât cele care se cunosc în legătură cuvreun 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 unamestec între Li-Ion şi Li-Polymer. Există mai multe variaţii în tipurile de acumulatori Polimer, iaradevăratul acumulator Li-Polymer uscat se află pe piaţă de mulţi ani. De asemenea, se cunoaştetermenul de „acumulatori cu plastic”, acesta a fost anunţat pe piaţă pentru prima dată la începutulanului 2000, dar nu a fost niciodată capabil să atingă proprietăţile necesare pentru a fi folosit înmultele 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 deprag şi să indice în mod corect încărcătorului curentul de saturaţie la terminareaîncărcării. 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 jumătatedin încărcarea completă;

• O descărcare în exces a acumulatorului îl poate „revigora” din nou (dar nu în toatecazurile). Nu mai folosiţi pachetul de acumulatori dacă tensiunea nu se ridică la unnivel 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