Восстановление свинцовых аккумуляторов
Проблемой продления работоспособности свинцовых аккумуляторов авторы статьи занимались не один десяток лет – разработаны технологии восстановления свинцовых аккумуляторов, проведены сотни лабораторных работ на аккумуляторах ёмкостью от 4 до 2200 А/час и напряжением от 1,5 до 110 вольт. Благодаря сотрудничеству лаборатории и организаций: Российской Железной Дороги, Речфлотом, Автотрансом, Аккумуляторными Компаниями, Минатомом и другими фирмами — разработаны ряд зарядно — восстановительных устройств, которые прошли апробирование в единичных экземплярах, даны рекомендации по эксплуатации аккумуляторов, восстановления их технических характеристик, снижения взрывоопасных выбросов водорода и кислорода, улучшение экологической обстановки и уменьшение расходов на зарядно- восстановительные работы.
Аккумуляторы теряют свои свойства не только в промышленных установках, но и в современном автотранспорте после двух-трёх лет эксплуатации.
Причины снижения качества – отсутствие профилактических работ по восстановлению электродов пластин аккумулятора.
Аккумуляторы в автомобилях используются в смешанном режиме эксплуатации: при заводке двигателя потребляется значительный стартовый ток, в поездке аккумулятор заряжается в буферном режиме небольшим током от генератора.
При неисправной автоматики автомобиля ток зарядки может быть недостаточным или привести к перезаряду — при повышенных значениях.
Кристаллизация пластин, повышенное напряжение заряда, преждевременный электролиз с обильным выделением сероводорода и недостаточная емкость в конце заряда сопровождают работу такого аккумулятора.
Признаки сульфатации пластин аккумулятора:
— Уменьшение ёмкости аккумулятора;
— Повышенное напряжение на электродах;
— Кипение и газообразование;
— Нагрев и коробление пластин.
Восстановить нормальную работу аккумулятора непосредственно от автомобильного генератора невыполнимо ввиду незначительного превышения напряжения генератора над аккумулятором и постоянной составляющей тока заряда — для этого используются зарядные устройства.
Ток разряда аккумулятора в течении 10-ти часов всегда равен ёмкости аккумулятора. Если напряжение при разряде упало до 1,92 вольта на элемент, раньше чем за десять часов, то и ёмкость во столько меньше.
В некоторых автомобилях используется по два аккумулятора общим напряжением 24 вольта. Разные токи разряда, из-за того, что на первый аккумулятор подключена вся нагрузка с напряжением 12 вольт (телевизор, радио, магнитофон …), которая питается от аккумулятора на стоянке и в пути, а второй нагружается только во время пуска стартера и разогрева свечи в дизельном двигателе. Регулятор напряжения не во всех автомобилях автоматически отслеживает напряжение заряда аккумулятора с разницей в зимнее и летнее время, что приводит к недозаряду или перезаряду аккумулятора.
Необходимо восстанавливать аккумуляторы отдельным зарядным устройством с возможностью регулирования тока заряда и разряда на каждом аккумуляторе.
Такая потребность натолкнула на создание зарядно- разрядного устройства на два канала с раздельной регулировкой тока заряда и тока разряда, это очень удобно и позволяет подобрать оптимальные режимы восстановления пластин аккумулятора исходя из их технического состояния.
Плотность электролита должна после восстановления аккумулятора, соответствовать паспортной для данного района эксплуатации, на севере плотность выше чем в тёплых районах — летом и зимой.
Не следует плотность подгонять доливкой электролита.
Восстановление ёмкости переполюсовками. При абсорбции органических поверхностно – активных веществ на отрицательных пластинах является способ периодической переполюсовки аккумулятора. Приложение высокого потенциала к отрицательной пластине приводит к сгоранию поверхностно-активных веществ, вызывающих сульфатацию пластин.
Использование циклического режима восстановления приводит к значительному снижению выхода газов водорода и кислорода из-за их полного использования в химической реакции, ускоренно восстанавливается внутреннее сопротивление и ёмкость до рабочего состояния, отсутствует перегрев корпуса и коробление пластин.
Восстановление аккумулятора импульсным током. Импульсные токи по форме, амплитуде и времени значительно отличаются от синусоидального.
Амплитуда импульса такого тока восстановления, как правило, превышает средний ток заряда в 5-10 раз. Повредить пластины аккумулятора такой ток не может, а вот расплавить застарелые кристаллы сульфата свинца в состоянии, и за короткое время. При средней величине зарядного тока в пять ампер импульс может достигать амплитуды в 50 ампер, достичь такой амплитуды тока возможно при значительной величине напряжения заряда в 24-26 вольт.
Ввиду короткого по времени импульса в несколько микросекунд нагрева аккумулятора и кипения практически не наблюдается, восстановление можно производить в помещении при отсутствии принудительной вытяжки.
Мощность зарядного тока на аккумуляторе не превышает мощности простого зарядного на диодном мосте, а мощность единичного импульса может достигать 1200ватт, что достаточно для перевода сульфата свинца в аморфный свинец.
Между двумя импульсами зарядного тока всегда присутствует промежуток времени без тока, достаточный для восстановления электронного равновесия в электролите.
Схему, для ускорения процесса восстановления, следует дополнить цепью разрядного тока небольшой величины.
Зарядно-восстановительное устройство, выполненное по схеме (Рис.1). Схема и трансформатор помещаются в стандартный корпус блока питания компьютера.
Характеристики устройства:
Напряжение сети 220 В
Вторичное напряжение 16-18 В
Мощность трансформатора 100 Ватт
Время импульса заряда 2-5 мс
Время разряда 1-3 мс
Время восстановления 5-12 часов
Ток заряда 1/20 С.
С-ёмкость в А/час.
Ток разряда 0,05-0,2А
Ток разряда при зарядке ассиметричным током должен составлять не более 1/10 тока заряда.
Новые технологии зарядки и восстановления аккумуляторов, позволяют снизить мощность на регенерацию пластин, хотя зарядка аккумуляторов в современных автомобилях не претерпела существенных изменений — за более вековой период, что как и раньше приводит, практически вечные аккумуляторы, к преждевременной кристаллизации, повышению внутреннего сопротивления и ухудшению пусковых характеристик.
Задающий генератор в схеме реализован на двух транзисторах разной проводимости VT1 и VT2. Аналог двухбазового диода включен в цепь моста — слева резисторы R1R2R3R4 справа R5R6.
Питание генератора выполнено от параметрического стабилизатора на напряжение стабилизации 16 вольт на элементах VD1VD2R9.
Генератор на транзисторах по сравнению с классическим генераторам на двухбазовом диоде легче модифицировать. В данном варианте имеются внешние цепи по регулировке тока — R1 с ограничением резистором R3. Цепь поддержания температурного режима схемы выполнена с помощью терморезистора — R2.
Для подачи тока обеих полярностей в аккумулятор не требуется установка двух идентичных генераторов, положительный импульс восстановления формируется тиристором VS1.
Импульс управления с эмиттера транзистора VT2 через ограничительный резистор R7 поступает на внутренний светодиод оптопары U1. Внутренний транзистор оптопары открывает ток через ограничительный резистор R8 с анода тиристора VS1 на управляющий электрод, при отрицательной полуволне синусоиды напряжения вторичной обмотки трансформатора Т1 на катоде VS1.
Время включения зависит от номиналов резисторов R1,R2,R3 и конденсатора С1.
При положительной полуволне на трансформаторе Т1 открывается тиристор VS2 и в аккумулятор поступает разрядный ток, синхронно с зарядным но меньшим по величине. Поскольку разрядный ток не должен быть выше 1/10 зарядного- установлен ограничитель разрядного тока, резистор R11.
Цепь R13 VD3 создаёт, для запуска, смещение на минусовой шине генератора на транзисторах VT1 VT2, при закрытых в начальный момент тиристорах VS1VS2.
Ширина импульса генератора должна перекрывать ширину полного периода синусоиды вторичной обмотки — более 10 мсек.
Терморезистор R2 снижает зарядный ток при перегреве тиристоров.
Элементы R12 HL1 РА1 индицируют верность подключения аккумулятора к зарядно- восстановительному устройству и суммарный ток восстановления.
В схеме используются радиодетали, характеристика и возможная замена которых рекомендована в таблице 1.
№ по схеме | Наименование | Тип по схеме | Возможная замена | Примечание |
R1 | Резистор | СП-3 | СП-10, СПО | Переменный |
R2 | Резистор | ММТ-1 | ММТ-4 |
|
R3-R12 | Резистор | С2-29 | С2-10 | 0,125 Ватт |
C1 | Конденсатор | КМ | К22-5 | 100В |
C2 | Конденсатор | КМ | К73 | 100В |
C3 | Конденсатор | К73 | МБМ | 100В |
VT1 | Транзистор — PNP | КТ361 | МП41-42Б |
|
VT2 | Транзистор — NPN | КТ815Б | КТ972 |
|
VD1-VD2 | Стабилитроны | Д814Г | Д814Д |
|
U1 | Оптопара | LTV817 | 816 |
|
T1 | Трансформатор | ТН-1 24В 100ватт | ТПП, ТС 18-24 В 60-100ватт |
|
VS1 | Тиристор | Т122-25 | КУ202Б-Н | С радиатором |
VS2 | Тиристор | ВТ139 | КУ201Б-Г | Новое крепление |
PU1 | Амперметр | М4100 5Ампер | 10 Ампер | С шунтом |
HL1 | Светодиод | АЛ307Б | АЛ307Г | Любой цвет |
R11 | Резистор | ПЭВ-10 | ПЭВ-5 | 5ватт |
SA1 | Тумблер |
|
|
|
Наладку схемы начинают с проверки монтажа.
Вместо аккумулятора GB1 на гнёзда выхода подключается лампочка 12 вольт 20-50 свечей, регулятором тока R1 проверяется изменение яркости от минимального до максимального уровня. Разрядный ток можно проверить, подключив амперметр в разрыв анодной цепи тиристора VS2.
Тиристор VS1 и трансформатор Т1 устанавливаются вне платы.
Регулятор тока — R1, амперметр — PU1, светодиод — HL1 и выключатель SA1 крепятся на передней панели.
Терморезистор R2 крепится на радиаторе тиристора VS1 и отслеживает его перегрев.
Использованная литература:
1. В.Сорокоумов. Импульсное зарядное устройство. Радио№8, 2004г С.46.
2. И.П.Шелестов. Радиолюбителям полезные схемы. Книга 5.С.108. Солон-Пресс. 2003г.
3. Б.Соколов. Усовершенствование электронного балласта. Радио №6, 2006г С27.
4. А.Петров. Импульсный блок питания. Радиомир. №7,2002г с.12.
5. В. Коновалов. «Автомобили и аккумуляторы». Методическое пособие Центра ДТТ. г.Иркутск. 2009г. С70.
6. М.
Дорофеев. Снижение уровня помех от импульсных источников питания. Радио №9.2006г.С38-40.
7. В.Коновалов. Зарядное устройство на импульсном блоке питания. Радиолюбитель №10,2009г С.36-39.
8. В.Коновалов. М.Мальков. Зарядное устройство на тиристорном инверторе. Радиолюбитель №12, 2009г С.46-48.
Скачать печатную плату в формате Sprint-Layout
Авторы: Владимир Коновалов, Алексей Разгильдеев, Александр Вантеев — творческая лаборатория «Автоматика и связь»
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ361А | 1 | МП41-42Б | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| VT2 | Биполярный транзистор | КТ815Б | 1 | Аналог: КТ972 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| VD1, VD2 | Стабилитрон | Д814Г | 2 | Д814Д | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| VS1 | Тиристор | Т122-25 | 1 | КУ202Б-Н. С радиатором | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| VS2 | Тиристор | ВТ139 | 1 | КУ201Б-Г | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| U1 | Оптопара | LTV817 | 1 | Аналог: 816 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| HL1 | Светодиод | АЛ307Б | 1 | АЛ307Г | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| C1 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C2 | Конденсатор | 0.22 мкФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| C3 | Конденсатор | 0. 1мкФ 100 В | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R1 | Переменный резистор | 47 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R2 | Термистор | 220 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| R3 | Резистор | 3.3 кОм | 1 | 0.25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R4 | Резистор | 120 кОм | 1 | 0.25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R5 | Резистор | 4.7 кОм | 1 | 0.25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R6 | Резистор | 22 кОм | 1 | 0. 25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R7 | Резистор | 220 Ом | 1 | 0.25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R8, R10 | Резистор | 120 Ом | 2 | 0.25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R9 | Резистор | 910 Ом | 1 | 0.25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R11 | Резистор | 470 Ом | 1 | 5 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R12 | Резистор | 1.8 кОм | 1 | 0.25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| R13 | Резистор | 1. | 1 | 0.25 Вт | Поиск в магазине Отрон | В блокнот |
| PU1 | Амперметр | М4100 5Ампер | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | |
| SA1 | Тумблер | 1 | Поиск в магазине Отрон | В блокнот | ||
| Добавить все | ||||||
5 кОмСкачать список элементов (PDF)
Теги:
- Sprint-Layout
Восстановление 4-летнего автомобильного AGM аккумулятора / Хабр
В декабре 2019 в лабораторию прибыл аккумулятор Volvo AGM V022A 70А*ч, производство 40-я неделя 2015 года, т.е. 4 года назад. Автомобиль долгое время простаивал, АКБ соответственно разрядилась, после чего был произведён обычный подзаряд, затем автомобилем пользовались.
Для отворачивания пробок можно использовать круглогубцы с изогнутой рабочей частью. Инструмент оставляет на пробке следы, но это неизбежно. Изготовитель, (скорее всего, это Варта или Бош), специально сделал труднооткрываемые пробки, чтобы AGM не путали с обычными наливными АКБ, и чтобы при обращениях по гарантии было видно, не открывались ли пробки.
Стекломаты выглядят суховатыми.
У новой Топлы они выглядят так. (видео с эндоскопа).
Пока делать что-либо с АКБ рано: её температура 10.5 градусов Цельсия. В помещении 21 градус. Подзаряд можно произвести и при такой температуре, но для восстановления нужна температура выше +15 градусов. Ждём, пока аккумулятор прогреется.
АКБ отогрелась, снимем показания тестера.Прибор Konnwei KW600 считает АКБ неисправной и подлежащей замене.Под нагрузочной вилкой 200 А напряжение на клеммах проседает до 10.45 В.
Доливаем дистиллированную воду (не водопроводную, дождевую или питьевую, не электролит).
В каждую банку этой 70 А*ч АКБ ушло 55-60 миллилитров. Доливать следует до обильного влажного блеска стекломатов, или до зеркала по уровню матов. На фото в углублении виден блеск поверхности жидкости. Ставим пробки на место и начинаем заряд. Можно закрутить пробки не полностью, так как в процессе восстановления может потребоваться ещё добавить дистиллированной воды.
Некоторые AGM и GEL АКБ комплектуются ёмкостями не дистиллированной воды, а со слабым раствором электролита. Это делается потому, что производитель не предусматривает, что с батареей будут производиться сложные десульфатирующие мероприятия.Если в процессе эксплуатации, когда характеристики АКБ ухудшились, просто долить слабый раствор электролита, будет скомпенсирована потеря воды и кислоты, химически связанной в сульфатах. Часть активных масс останется сульфатированной, а количество и концентрация электролита, соответственно и эксплуатационные напряжения, придут в норму, и АКБ сможет продолжить работу без тревожных сигналов со стороны автоматики контроллеров.
После долива и небольшого времени на пропитку стекломатов, АКБ можно сразу вернуть на место работы.
Так можно продлить срок службы дорогой аккумуляторной батареи, и очень хорошо, что производители это предусматривают. Но ещё лучше произвести полный выравнивающий, восстановительный, десульфатирующий стационарный заряд. Так мы восстановим характеристики АКБ, (ёмкость, токоотдачу), в большей мере, и на большее время продлим её жизнь.
Сульфатация не только исключает активные массы и кислоту из полезной обратимой токообразующей реакции Гладстона-Трайба, но и ведёт к разбуханию активных масс, могущему приводить к разрыву сепараторов и коротким замыканиям. Потому правильный подход к эксплуатации свинцовых аккумуляторов — именно десульфатировать, с доливом только дистиллированной воды. Электролит следует доливать в крайних случаях, если присутствует элемент срочности и невозможно произвести десульфатирующие мероприятия.
После долива и небольшого времени на пропитку стекломатов, АКБ можно сразу вернуть на место работы.Заряжать будем программируемым ЗУ Кулон-912.
Подробная методика описана в предыдущей статье. Настройки основного заряда следующие: максимальное напряжение 14.7 В, начало снижения тока при 14.6 В. Ток установим очень низкий, 1% паспортной ёмкости. Для 70 А*ч это 700 мА. Это делается потому, что изношенным АКБ свойственен разбаланс. Малый ток позволяет его устранить, и зарядить активные массы наиболее полно.
Ток окончания заряда 50 мА, максимальное время 48 часов, (установить большее время основного заряда ЗУ не позволяет). Включаем заряд, ждём самого минимального тока, который будет достигнут, и выдержим его ещё 12 часов.
С момента начала заряда прошло почти 28 часов. Напряжение до сих пор не достигло максимума, ток не снижается.▍ Основной заряд подходит к завершению по времени. Ток 0.34 А. Отдано 29.23 А*ч.Запустим основной заряд снова с такими же настройками, только на этот раз установим ток 0.35 — 0.4 А.
Прошло почти 20 часов заряда, отдано почти 6 А*ч. Ток 230 мА.
▍ Прошло ещё 3 часа.
Дальнейшего снижения тока пока не видно. Будем мониторить ещё 4 часа.Выдержали ещё 4 часа. Падение тока не происходит. Желательно снижение тока до 0.1% ёмкости, для 70 А*ч это 70 мА.Отключаем заряд, сделаем часовую паузу и посмотрим на показания тестера.
Прекрасные показатели, но их можно ещё улучшить. Приступим к дозаряду с повышенным напряжением в два этапа.
Заряжать будем током 1% номинальной ёмкости без ограничения напряжения, для чего установим максимально возможное напряжение Кулона-912 — 16.5 вольт, и ток 700 мА. Ток окончания заряда устанавливаем минимально возможный, время 48 часов.
Прошло 45 минут, напряжение дошло до 16.3 В.▍ Прошёл ещё час, напряжение не меняется, даже чуть снизилось до 16.29 В. С этого момента начнём отсчёт двух часов.Прошло ещё два часа, напряжение слегка колеблется в тех же пределах.
Отключаем заряд, утром проверим аккумулятор тестером.
После выравнивающего дозаряда с повышенным напряжением характеристики батареи ещё улучшились.
Стекломаты не потеряли влажного блеска, даже наоборот, выглядят очень мокрыми. При десульфатации из активных масс выделилась серная кислота.
Сделаем контрольный разряд до 11.8 В током 3 А.
Аккуулятор отдал 43.58 А*ч. Это отличный результат. После разряда стекломаты не блестят. Вся вода впиталась.Ставим на основной заряд с теми же параметрами, что и в первый раз.
▍ Спустя двое суток заряда током 0.7 А напряжение на клеммах 13.13 В. Ещё за несколько часов напряжение дошло до 14.6.
Прошло трое суток заряда, устанавливаем ток 0.4 А.Спустя два часа, ток колеблется от 0.15 до 0.2 А.
Подходит к концу этап основного заряда. Влажный блеск стекломатов, пропавший после разряда до 11.8 В, вернулся.
Если бы после заряда наблюдалась сухость матов, потребовалось бы добавить дистиллированной воды в банки.
Плотность электролита по показаниям рефрактометра 1.28.
Прошло ещё чуть более двух часов, показания тока немного снизились. Мониторим дальше.▍ Спустя ещё чуть более 4 часов, показания напряжения и тока остаются неизменными. Подождём ещё 4 часа, и выключаем заряд.Время истекло, ток не меняется в течение 8 часов. Отключаем заряд. И сразу переходим к дозаряду тем же током, но без ограничения напряжения. Выдержим максимальное напряжение 2-3 часа, либо если будет достигнут предел Кулона-912, — 16.5 вольт, — дождёмся, когда ток перестанет снижаться в течение 2-3 часов.Прошло около часа, напряжение 16.4 В. Это уже выше 16.3, бывших при первом дозаряде.
▍ Показания не меняются на протяжении 3 часов, выключаем. Дозаряд завершён. Через 8 часов посмотрим на показания тестера.Под нагрузкой 200 А на клеммах 10.9 В. Отличный результат!
До начала работ было 10.45. Восстановление завершено.
Статья написана в сотрудничестве с автором экспериментов и видео — Аккумуляторщиком Виктором VECTOR.
Исследования и разработки: Hitachi
Емкость аккумулятора может быть восстановлена за счет реактивации ионов лития, не способствующих заряду и разряду аккумулятора, путем сочетания диагностики аккумулятора и электрохимического процесса
Рис. Ионные батареи с использованием электрохимического процесса
(a) Внутренняя диагностика батареи и реактивация ионно-литиевых (Li + );
(b) Продление срока службы за счет восстановления емкости хранилища
Компания Hitachi разработала технологию восстановления емкости для продления срока службы литий-ионных аккумуляторов (LIB), встроенных в системы хранения энергии, неразрушающим образом. Это новшество способствует переходу на преимущественно возобновляемые источники энергии для энергосистем и переходу на электрическую мобильность. Емкость ЛИА снижается при повторяющихся длительных зарядах и разрядах, и тогда необходима замена батареи, когда производительность аккумуляторной системы не соответствует требованиям владельца батареи.
Эта новая технология восстановления емкости количественно оценивает количество дезактивированных ионов лития (Li + ) *1 , которые не способствуют заряду и разряду неразрушающим образом, а затем реактивируют дезактивированные ионы лития с помощью электрохимического процесса, выполняемого в соответствии с особыми условиями, определяемыми новой программой анализа. В ячейке LIB *2 с использованием обычных материалов мы подтвердили, что эта технология продлевает срок службы LIB на 20 % за счет восстановления 5 % емкости хранения, когда она падает ниже 80 % от начальной емкости *3 . Кроме того, мы не обнаружили каких-либо повреждений материалов, содержащихся в ЛИА, после этого электрохимического процесса. Hitachi стремится популяризировать высокоэффективные и устойчивые энергетические системы и вносит свой вклад в создание обезуглероженного общества за счет широкого использования этой технологии различными операторами, от передачи и распределения электроэнергии до предприятий электромобилей.
Мы планируем представить некоторые результаты этих исследований и разработок на Европейском инновационном форуме Hitachi, который состоится 5 ноября 2021 года в Глазго, Шотландия.
Ожидается, что будущий спрос на литий-ионные аккумуляторы будет расти как стационарные системы накопления энергии, используемые для возобновляемых источников энергии, и как источники питания для электромобилей. Однако производство и распространение редких металлов, используемых в батареях, ограничено, что может сократить предложение в будущем. Кроме того, производство и утилизация ЛИА требуют огромного количества энергии. Таким образом, предотвращение ухудшения характеристик во время использования и продление срока службы имеют решающее значение для создания устойчивого общества, ориентированного на переработку. Также важны инициативы по эффективному использованию LIB при повторном использовании этих батарей для широкого спектра приложений. В свете этих потребностей компания Hitachi разработала базовую технологию для количественной оценки состояния деградации ЛИА неразрушающим методом и восстановления емкости хранилища для увеличения срока службы (рис.
1). Отличительные особенности этой новой технологии описаны ниже.
1. Технология неразрушающей количественной диагностики деградации ЛИА
Факторы, снижающие емкость ЛИА, в основном подразделяются на (A) деградацию положительных электродов, (B) деградацию отрицательных электродов и (C) дезактивацию ионов лития. [Инжир. 2 (а)]. При этом Hitachi сосредоточилась на технологиях восстановления емкости хранения с помощью внешнего электрохимического процесса для повторной активации дезактивированных ионов лития. В частности, разряд в диапазоне, превышающем нижний предел обычно используемого напряжения батареи, временно увеличивает потенциал *4 отрицательного электрода для извлечения ионов лития, не участвующих в заряде и разряде отрицательного электрода ЛИА. Чтобы определить безопасный уровень приложенного тока, предотвращающий повреждение материала, возгорание или другие подобные опасности в ЛИА во время этого процесса, новая технология количественно оценивает состояние деградации в ЛИА неразрушающим образом.
На рис. 2(b), показывающем взаимосвязь между емкостью аккумулятора ЛИА и напряжением (далее «кривая емкость-напряжение»), мы специально сосредоточились на уменьшении длины кривой «напряжение-емкость» в сочетании с деградацией батареи. Путем сравнения кривых емкость-напряжение для положительного и отрицательного электродов, измеренных и сохраненных в базе данных заранее, и фактической кривой емкости-напряжения изношенной батареи, мы рассчитали величину потерянной емкости для каждого из трех факторов, описанных выше. Из этих трех факторов мы получили количество дезактивированных ионов лития в электролите для (С) по разнице в положениях вольт-амперных кривых для положительного и отрицательного электродов [рис. 2 (b)], а затем рассчитал допустимый уровень приложенного тока для безопасной реактивации ионов лития, используя это значение и уникальную программу анализа.
Рис. 2 Технология неразрушающей количественной диагностики деградации литий-ионных аккумуляторов
(a) Факторы, снижающие емкость аккумулятора;
(b) Изменения кривых вольт-амперной емкости, вызванные каждым фактором деградации и восстановлением накопительной емкости
2.
Технология восстановления накопительной емкости с использованием управления импульсным током Ток концентрируется вокруг внешних выводов электродов и повреждает материал в этой области, как показано, при непрерывной подаче тока, даже если на уровне, рассчитанном с помощью описанной выше технологии. Поэтому компания Hitachi использовала свой опыт, накопленный в технологиях управления LIB, для разделения подаваемого тока на импульсные токи *5 менее нескольких секунд. Мы открыли способ облегчения реакции реактивации ионов лития с использованием интервалов импульсного тока, который эффективно предотвращает деградацию материала. В результате оптимизации различных условий управления импульсным током мы подтвердили, что электрохимический процесс, управляемый с помощью импульсных токов, восстанавливает 5% емкости хранения ячейки ЛИА с использованием стандартных материалов после падения ниже 80% начальной емкости из-за повторяющейся зарядки и разрядки и продлевает срок службы на 20%.
Разборка для анализа структуры материала и химического состава ЛИА с использованием этого метода восстановления также подтвердила отсутствие повреждений внутренних материалов даже после электрохимического процесса *6 .
В будущем Hitachi будет сотрудничать с клиентами, которые хотят продлить срок службы систем хранения LIB, чтобы исследовать эффективность восстановления емкости при адаптации этой новой технологии к системам хранения, используемым в различных условиях. Наша цель — продлить срок службы систем заказчика, снизить эксплуатационные расходы, повысить эффективность работы, сэкономить ресурсы и снизить энергопотребление.
- *1
- Деактивированные ионы лития относятся к ионам лития, которые превратились в соединения лития или были ограничены в отрицательном электроде и больше не участвуют в зарядке и разрядке.
- *2
- Ячейка относится к минимальной рабочей единице в батарее. Аккумуляторная система накопления энергии большей емкости состоит из множества ячеек, соединенных параллельно и/или последовательно. В этом исследовании использовались элементы, которые используют графит в отрицательном электроде и литий-никель-кобальт-марганцевый оксид в положительном электроде.
- *3
- Срок службы относится к сроку службы до тех пор, пока емкость LIB не упадет ниже требований к емкости системы накопления энергии. В этом исследовании определяется потребность в мощности как остаточная мощность, которая составляет 80% от начальной мощности. Испытание циклами заряда/разряда от 0% до 100% при 50°C со скоростью заряда и разряда 1C показало, что диагностика батареи и процесс восстановления емкости увеличивают количество циклов на 20% до достижения 80% начальной емкости батареи. . Скорость заряда и разряда в 1С — это текущее значение, необходимое для полной зарядки или разрядки емкости аккумулятора за один час.
- *4
- Потенциал относится к потенциальной энергии, связанной с количеством электричества (электрического заряда), переносимого частицами или объектами.
- *5
- Импульсный ток относится к мгновенному току, протекающему в течение короткого периода времени.
- *6
- Рентгеноструктурный анализ и спектроскопия комбинационного рассеяния не выявили повреждений кристаллической структуры материалов положительного и отрицательного электродов до или после процесса восстановления емкости. Кроме того, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой подтвердила отсутствие вымывания ионов металлов из электродов в раствор электролита после восстановления емкости.
В этом исследовании использовались элементы, которые используют графит в отрицательном электроде и литий-никель-кобальт-марганцевый оксид в положительном электроде.
Видео об управлении жизненным циклом аккумуляторов
Development Group, Hitachi, Ltd. Не забудьте указать название статьи.
Исследование эффектов восстановления емкости из-за периодов покоя во время испытаний на циклическое старение сильноточных аккумуляторов в литий-ионных аккумуляторах и их влияние на срок службы
тесты на старение автомобильных литий-ионных аккумуляторов и их влияние на срок службы» (2019 г.) Эпдинга, Румберга, Янке, Страдтманна и Кваде.
Важный, но часто игнорируемый факт заключается в том, что частные автомобили проводят за рулем лишь небольшую часть своей жизни.
Долгие непрерывные периоды отдыха в течение нескольких часов (ночью, на работе) или даже дней (в выходные дни) являются частью наиболее реалистичных сценариев использования.Согласен. Например, в «Замкнутом цикле оптимизации протоколов быстрой зарядки для аккумуляторов с машинным обучением» элементы непрерывно циклировались, чтобы сделать прогнозы срока службы и выбрать лучший протокол быстрой зарядки.
Клетка, которая отдыхает каждые 50 циклов в течение 2 дней, деградирует медленнее, чем клетка, которая отдыхает каждые 100 циклов:
Авторы обнаружили, что восстанавливаемая емкость в период покоя зависит от текущей используемой емкости клетки (т. состояния здоровья: «UCC» на графике). Вы можете заметить это выше: чем ниже UCC, тем больше емкости восстанавливается в периоды отдыха, и восстановленное количество при тех же уровнях UCC сопоставимо для двух анализируемых клеток.
Возмещаемая мощность также зависит от продолжительности периода покоя.
Существует предел того, насколько емкость может быть восстановлена, к которой ячейка приближается экспоненциально, поэтому через 5 дней может быть восстановлена очень небольшая емкость:
На этой диаграмме ΔC означает восстановление емкости. UCC означает «Полезная емкость ячейки» по отношению к емкости новой ячейки; следовательно, черные квадраты представляют восстановление, когда ячейка почти новая (50-200 циклов, периоды отдыха каждые 50 циклов), красные кружки — когда ячейка уже близка к концу срока службы по остаточной емкости (250 циклов). -400 циклов), зеленые треугольники и голубые звездочки — когда клетка уже находится за пределами нормального конца жизни и зацикливается до смерти (450-800 циклов).
Авторы обнаружили, что восстанавливаемая емкость во время периода отдыха зависит от продолжительности периода (как обсуждалось выше) и текущей полезной емкости ячейки (т. е. состояния здоровья), как вы можете заметить на графике выше.
Авторы обнаружили, что температура, при которой ячейка находится в покое, не оказывает существенного влияния на скорость или величину восстанавливаемой емкости.
Когда авторы проанализировали только клетки, которые отдыхали каждые 50 циклов, они обнаружили, что восстанавливаемая емкость примерно линейно зависит от потерял емкость с момента предыдущего периода отдыха, и что около 40% этой потерянной емкости может быть восстановлено. Однако мне кажется, что это ложное соотношение, потому что на приведенной выше диаграмме мы видим, что в то время как клетка, которая отдыхает каждые 50 циклов, восстанавливает примерно 40% утраченной емкости, клетка, которая отдыхает каждые 100 циклов, восстанавливает только 10-10%. 25% потерянной мощности.
Когда клетка отдыхает после непрерывного цикла, ее емкость может восстановиться по нескольким причинам:
Эффект нависания анода (см. ниже)
Изменение однородности распределения лития в аноде
Обратимое литиевое покрытие (см. раздел «Уменьшение емкости элемента ускоряется, когда отложение лития становится необратимым»).
Авторы предполагают, что более частый отдых приводит к более медленной деградации, поскольку литиевое покрытие является самоусиливающимся процессом , поэтому его раннее предотвращение приводит к дополнительным преимуществам.
Регулярные периоды отдыха или характеристики во время испытаний на ускоренное циклическое старение приводят к увеличению измеренной емкости элемента, а также к увеличению срока службы элементов. Увеличение емкости измеряется, даже если ячейка остается на 100% SoC в течение периода покоя. Это исключает выступ анода как источник увеличения емкости.
Я не понимаю, как именно отдых при 100% SoC исключает эффект вылета анода как возможную причину восстановления емкости.
Насколько я понимаю, когда ячейка зацикливается в быстром темпе, выступающие области анода достигают равновесного SoC, который приблизительно равен среднему SoC не выступающих частей анода во время циклирования. Таким образом, когда ячейка отдыхает при 100% SoC, часть лития из невыступающих частей может перемещаться в выступающие части.
Если мы измеряем емкость ячейки как количество заряда, который мы можем извлечь из нее сразу после периода покоя, то отдых на 100% действительно должен уменьшать емкость (или, по крайней мере, не увеличивать ее).
Однако, если в катоде все еще есть литий (или избыток лития в электролите), когда элемент находился в покое при 100% SoC, и мы измеряем емкость элемента в течение полного цикла зарядки-разрядки (например, следуя точной емкости элемента протокол измерения), то может показаться, что емкость ячейки увеличилось. Это может произойти из-за того, что помимо полной «базовой» разрядной емкости выступ анода может поставлять дополнительный литий, который высвобождается в электролит во время разрядки элемента .
А вообще-то авторы пишут, что измеряли емкость во время второй фазы разряда после периода покоя. На мой взгляд, это согласуется с теорией о том, что эффект нависания анода может увеличить измеренную емкость ячейки.
См. также: разрядная емкость цилиндрической ячейки может увеличиваться в течение первых нескольких циклов.
Согласно литературным данным, на кривой напряжения релаксации появляется плечо, если на стадии заряда происходит литиевое покрытие из-за сосуществования металлического лития (0 В по сравнению с Li/Li+) и графита (0,08 В по сравнению с Li/Li+) на анодная сторона [1].