Как избежать возникновения самых частых проблем в работе литий-ионных батарей?

Наиболее распространенные неисправности литий-ионных аккумуляторов – это резкое снижение восстанавливаемой емкости, сильный нагрев при зарядке или питании нагрузки, вздутие, быстрый разряд и проблемы с зарядкой. Причем не всегда неполадки в работе АКБ обусловлены исчерпанием циклического ресурса. Нередко Li-ion батареи начинают хуже работать или вообще выходят из строя преждевременно, не выработав и половины номинального ресурса.

Защиту от большинства рисков, таких как глубокий разряд, перезаряд, перегрев и перегрузки по току, литиевым АКБ обеспечивают BMS платы. Поэтому профилактика неисправностей таких накопителей энергии в первую очередь заключается в использовании исправной BMS платы и подходящего зарядного устройства. Но даже если эти условия соблюдены, при эксплуатации аккумуляторной батареи могут возникнуть неполадки. Далее мы проанализируем, почему это происходит и как избежать популярных проблем в работе литий-ионных аккумуляторов.

Основные причины неполадок

Чаще всего к неисправностям литий-ионных аккумуляторов приводят:

1. Внутренние неисправности, связанные с использованием загрязненного сырья, наличием производственных дефектов или нарушениями технологии сборки АКБ. Первые две причины приводят к внутреннему короткому замыканию, возрастанию саморазряда, а в худшем случае могут спровоцировать возгорание аккумуляторов. В свою очередь, неправильная сборка батареи чаще всего приводит к быстрому ухудшению рабочих параметров и преждевременному выходу аккумуляторной батареи из строя.
2. Некорректная эксплуатация, в частности, электрические перегрузки и вызываемый ими перегрев, использование при близких к граничным значениям низких или высоких температурах или хранение в разряженном состоянии. Также вредит аккумуляторам применение неисправного или неподходящего зарядного устройства, т.к. неправильная зарядка негативно отражается на рабочем состоянии АКБ и безопасности ее эксплуатации.
3. Физические воздействия. Проколы, удары, сдавливание АКБ могут привести к утечке электролита, появлению трещин и деформаций, повреждению электрической схемы и возникновению внутреннего короткого замыкания. Поврежденные ячейки использовать недопустимо. Они подлежат утилизации.

Профилактика распространенных проблем в работе Li-ion батарей

Чтобы литиевые АКБ работали без потери эффективности и преждевременного выхода из строя, нужно соблюдать 3 условия. Первое связано с выбором качественных накопителей энергии, второе – с их корректной эксплуатацией для профилактики деградации химической структуры, а третье – с минимизацией рисков их механического повреждения. Перечислим важные правила, соблюдение которых поможет избежать популярных неисправностей в работе литий-ионных АКБ.

Правило №1 – не допускайте полного разряда

Аккумуляторы Li-ion типа чувствительны к глубоким разрядам и особенно боятся долгого хранения в разряженном состоянии. В таком случае напряжение и так низкое (2,75–3 В на элемент), а из-за дальнейшего саморазряда становится критически низким. Внутри ячеек при этом состоянии протекают необратимые процессы. В результате, как минимум, снижается значение восстанавливаемой емкости, т.е. накапливаемой энергии будет хватать на меньшее время питания одной и той же нагрузки.

Кроме того, систематический полный разряд приводит к сокращению циклического ресурса. Например, при номинальном ресурсе в 700 циклов аккумулятор, который пользователь регулярно полностью разряжает, прослужит около 300 циклов. А если усугубить испытание длительным хранением АКБ в разряженном состоянии, необратимые повреждения будут еще более масштабными. В результате аккумулятор может уйти в защиту и вообще перестать принимать заряд.

Поэтому лучше всего не разряжать Li-ion аккумуляторы до минимального напряжения, не оставлять надолго в разряженном виде, а перед длительным хранением – заряжать примерно наполовину.

Правило №2 – избегайте перезаряда

Превышать допустимое напряжение (4,2 В на ячейку) тоже нельзя, т.к. электролит в элементах питания начинает перегреваться и в химической структуре происходят необратимые изменения. На практике они провоцируют снижение емкости, возрастание внутреннего сопротивления и ухудшение остальных характеристик, а при не самом благоприятном сценарии – деформацию, вздутие, внутреннее короткое замыкание или возгорание ячеек.

Плата защиты контролирует напряжение на элементах, поддерживая его в безопасных границах. Когда напряжение достигает максимального значения (4,2 В на банку), БМС плата отключает батарею от зарядки. Аналогично, когда уровень напряжения становится критически низким, плата защиты отключает АКБ от нагрузки.

Поэтому важно использовать надежную BMS плату и обеспечить (с ее помощью или с использованием балансиров) выравнивание напряжения на ячейках. Это поможет избежать дисбаланса, чтобы все элементы в сборке работали одинаково эффективно и не страдали из-за систематического перезаряда или глубокого разряда. Также важно использовать исправные зарядные устройства подходящего типа и хорошего качества.

Правило №3 – минимизируйте риск перегрева

Высокие температуры приводят к разрушению активных веществ во внутренней структуре аккумуляторов, ускоряют их естественный износ, повышают риск теплового разгона и самовозгорания. Как минимум, перегрев приводит к снижению производительности, росту внутреннего сопротивления, ухудшению токоотдачи и сокращению срока службы АКБ. Также он может спровоцировать внутреннее короткое замыкание и вывести батарею из строя.

Для профилактики перегрева нужно:

1. Беречь аккумуляторы от прямых солнечных лучей, источников огня и тепла, экстремальной жары и других источников внешнего нагрева.
2. Не превышать рекомендованные токи заряда и разряда, т.к. из-за высоких нагрузок батарея также перегревается.

Правило №4 – берегите Li-ion батареи от низких температур

На морозе у литий-ионных аккумуляторов временно ухудшаются рабочие параметры. Это не опасно, но эффективность использования АКБ на время ее пребывания в условиях низких температур снижается. Это происходит из-за повышения вязкости электролита и естественного замедления химических процессов. Если же температура опустится ниже допустимого минимума (обычно – ниже -20 °С), замерзание электролита может спровоцировать физическое повреждение ячеек: возникновение трещин, деформации.

Для профилактики переохлаждения аккумуляторов используют чехлы из утепляющих материалов и системы подогрева. Такие системы автоматически поддерживают благоприятную рабочую температуру, потребляют минимум энергии и позволяют полноценно (без снижения характеристик) использовать Li-ion аккумуляторы при минусовых температурах окружающей среды.

Но главная опасность мороза для литиевых АКБ – это нарушение правил зарядки. Заряжать Li-ion аккумуляторы на морозе категорически запрещено, а после эксплуатации на холоде нужно прогреть их пару часов при комнатной температуре. Иначе с большой вероятностью ячейки будут повреждены, возникнет внутреннее короткое замыкание и АКБ придет в негодность.

Правило №5 – не экспериментируйте с зарядным устройством

Заряжать Li-ion батареи необходимо в режиме CC/CV, без превышения допустимого зарядного тока (0,5–1С), до напряжения 4,2 В на элемент. Зарядное устройство должно соответствовать АКБ конкретного типа, обеспечивать стабильную цепь без скачков напряжения, быть исправным и надежным. Хотя у литий-ионных батарей есть платы защиты, некорректная зарядка вредит их работоспособности и безопасности. Последствия могут быть разными – от снижения емкости до перегрева, вздутия или возгорания АКБ.

Ранее в блоге VirtusTec вышла статья о типичных ошибках при пайке аккумуляторных сборок.