شارژ باتری های لیتیوم یون

تاریخ انتشار: 1398/10/9

باتری های لیتیوم یون که در کاتد آن ها مواد کبالت، نیکل، منیزیم و آلومینیوم بکار رفته است، عموما تا ولتاژ 4/2 ولت (با تلرانس 50-/+ میلی ولت) شارژ می شوند. برخی باتری های لیتیوم یون که عنصر پایه ای آن ها نیکل است، تا ولتاژ 4/1 ولت و باتری های لیتیوم یون ظرفیت بالا تا ولتاژ 4/3 ولت شارژ می شوند اما باید دقت شود که باتری با ولتاژی بالاتر از آن چه که در برگه مشخصات فنی آن گفته شده است، شارژ نشود، زیرا در این وضعیت ایمنی باتری به خطر خواهد افتاد. مدارهای حفاظتی که داخل پک باتری استفاده می شود، اجازه افزایش ولتاژ پک باتری را از یک مقدار مشخص نخواهند داد.

 

 

 

شکل زیر مشخصه ولتاژ و جریان باتری لیتیوم یون را نشان می دهد. همانگونه که از این شکل مشخص است، شارژ شدن باتری لیتیوم یون شامل دو مرحله اصلی جریان ثابت و ولتاژ ثابت می باشد. زمانی که جریان به 3 تا 5 درصد مقدار نامی Ah سلول می رسد، شارژ باتری به پایان رسیده و باتری در حالت شارژ کامل قرار می گیرد. پس از قطع شدن جریان شارژ، به دلیل دشارژ داخلی (self discharge) باتری، شارژ آن پس از مدتی کمی کاهش می یابد، در صورتی که شارژر این کاهش ظرفیت را تشخیص دهد، مجددا شروع به شارژ باتری می کند تا باتری به وضعیت شارژ کامل برسد (مراحل 3 و4).

 

 

 

 

 

نرخ شارژ پیشنهادی برای سلول های انرژی، بین 0.5C و 1C می باشد. زمان شارژ کامل حدود 2 تا 3 ساعت می باشد. سازندگان این سلول ها بمنظور بهبود عمر باتری، برای شارژ جریان 0.8C یا کمتر را پیشنهاد می دهند. در سوی مقابل، بیشتر سلول های توانی را می توان با نرخ شارژ (C rate) بالا شارژ نمود. بازدهی شارژ برای سلول های توانی حدود 99% است و سلول در حین شارژ خنک می ماند.

برخی پک های باتری های لیتیوم یون در هنگام شارژ (تا زمانی که باتری به حالت شارژ کامل می رسد) دمای آن ها تا حدود 5 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. این موضوع می تواند به دلیل عواملی مانند مقاومت داخلی پک باتری و یا مدارهای حفاظتی باتری باشد. پیشنهاد می شود در صورتی که دمای باتری در هنگام شارژ از 10 درجه سانتیگراد بیشتر افزایش یافت، شارژ بصورت منقطع و تحت جریان کمتری صورت پذیرد.

پک باتری زمانی در حالت شارژ کامل قرار می گیرد که باتری به ولتاژ حد بالایی خود رسیده باشد و جریان به 3% جریان نامی افت کند. همچنین یک باتری زمانی شارژ کامل می شود که سطح جریان به یک مقدار ثابتی کاهش یافته و از آن بیشتر کاهش نیابد (علت عدم کاهش جریان از یک مقدار مشخص می تواند بدلیل مقاومت داخلی پک باتری باشد).

افزایش جریان شارژ زمانی که باتری به مرحله 2 نمودار فوق رسیده است، یعنی زمانی که به مرحله ولتاژ ثابت می رسد، منجربه افزایش زمان شارژ نخواهد شد زیرا در این حالت کنترلی بر روی جریان وجود نخواهد داشت. افزایش جریان شارژ تنها در مرحله 1 می تواند منجر به کاهش زمان شارژ گردد. در این مرحله می توان با اعمال جریانی بالا باتری را با سرعت بالایی شارژ نمود، اما باید متذکر شد که باتری تا رسیدن به ولتاژ شارژ کامل حدود 80 الی 85 دصد شارژ می شود. به عبارتی دیگر 85% از ظرفیت باتری را می توان با سرعت بالا (Fast charge) شارژ نمود، و زمانی که باتری به مرحله ولتاژ ثابت رسید، شارژ باتری تا رسیدن به 100% ظرفیت بین 30 تا 40 دقیقه (بسته به کیفیت و ساختار باتری) طول خواهد کشید.

باتری های لیتیوم یون الزاما نیازی ندارند تا بصورت کامل شارژ شوند، حتی می توان گفت شارژ کامل این باتری ها برای آن ها چندان مطلوب نمی باشد. در حقیقت، بهتر است این باتری ها بصورت کامل شارژ نشوند زیرا ولتاژ بالا موجب افزایش تنش در باتری می گردد. عدم شارژ و دشارژ باتری بصورت کامل منجربه بهبود عمر باتری خواهد شد.

در برخی شارژرهای صنعتی، به منظور بهبود عمر باتری، ولتاژ قطع شارژر در مقداری پایین تر تنظیم می گردد.

شارژ بیش از حد باتری لیتیوم یون

باتری های لیتیوم یون در محدوده ولتاژ تعیین شده، بصورت ایمن عمل می کنند، با این حال، اگر باتری بصورت ناخواسته تا مقداری بالاتر از ولتاژ تعیین شده شارژ شود، این موضوع می تواند منجربه عدم پایداری باتری شود. شارژ کردن باتری های لیتیوم یونی که محدوده بالای ولتاژ آن ها 4/2 ولت است، در ولتاژی بالاتر از 4/3 ولت با تشکیل صفحه فلزی لیتیومی بر روی آند همراه خواهد بود، مواد کاتد به یک عامل اکسید کننده تبدیل خواهند شد و پایداری خود را از دست داده و کربن دی اکسید تولید (CO2) می کنند. در این زمان فشار داخلی سلول افزایش یافته و اگر شارژ باتری ادامه یابد، تجهیز قطع جریان (CID) که وظیفه ایمنی سلول را عهده دار است، جریان دهی سلول را در فشار 1000 تا 1380 کیلوپاسکال قطع خواهد نمود. اگر فشار بیش از این مقدار افزایش یابد (تا حدود 3450 کیلوپاسکال)، ممکن است سلول در نهایت تخلیه شده و آتش بگیرد.

باتری ای که بصورت کامل شارژ شده است، دارای دمای فرار حرارتی پایین تری نسبت به سایر درصد های شارژ می باشد و نسبت به سلولی که بصورت جزئی شارژ شده است، سریعتر دچار نشتی و تخلیه خواهد شد. تمام باتری هایی که عنصر پایه ای آن ها لیتیوم است، در شارژهای پایین تر ایمن تر بوده و علت اینکه شارژ باتری هایی که قرار است بصورت هوایی حمل شوند را در مقدار 30% قرار می دهند، نیز موضوع ایمن تر بودن آن ها در درصد شارژ پایین تر می باشد.

دمای فرار حرارتی باتری لیتیوم کبالت در حالت شارژ کامل بین 130 تا 150 درجه سانتیگراد، برای نیکل منیزیم کبالت بین 170 تا 180 درجه سانتیگراد و برای لیتیوم منیزیم حدود 250 درجه سانتیگراد است. باتری های لیتیوم فسفات، دارای پایداری دمایی مشابه یا حتی بهتر از باتری های لیتیوم منیزیم هستند.

در پایان لازم به ذکر است که باتری های لیتیوم یون تنها باتری هایی نیستند که در هنگام شارژ بیش از حد دچار مسائل ایمنی می شوند. باتری های سرب اسید، نیکل کادمیم و میکل متال هیدرید نیز اگر به درستی شارژ نشوند، دچار حریق و سایر مسائل ایمنی خواهند شد.

مشخصه دشارژ باتری های لیتیوم یون

باتری­ های لیتیوم یونی که در ابتدا اختراع شدند، بسیار ضعیف و غیر ایمن بودند و توانایی جریان دهی برای بارهای بزرگ را نداشتند. اما به مرور زمان تکنولوژی این باتری ها پیشرفت نموده و از نظر توانایی تامین جریان های بزرگ، در کنار باتری های نیکل کادمیم و سرب اسید قرار گرفتند. برای کاربردهای مختلف دو نوع از باتری های لیتیوم یون در بازارهای جهانی موجود می باشد: سلول های با چگالی انرژی بالا (سلول انرژی) و سلول های با چگالی توان بالا (سلول توان).

عملکرد این دو نوع باتری توسط توانایی آن­ها در میزان ذخیره سازی انرژی و میزان توان دهی آن ها دسته بندی می شود. مشخصه های انرژی و توان توسط سایز اجزایی که برای الکترودها بکار می رود، تعریف می شود. اجزای بزرگتر برای سلول، باعث افزایش سطح و در نتیجه افزایش ظرفیت می شود و همچنین استفاده از مواد مرغوب و اجزای کوچکتر آن را برای توان های بالا مناسب می سازد.

کاهش اندازه اجزایی که برای الکترودها بکار می رود، مقدار الکترولیت مورد نیاز برای پر نمودن منافذ را کاهش می دهد. حجم الکترولیت بکار رفته شده در سلول، ظرفیت باتری را تعیین می کند. کاهش اندازه اجزای تشکیل دهنده الکترودها، منافذ بین اجزا را کاهش داده و در نتیجه مقدار الکترولیت کاهش خواهد یافت. کم بودن بیش از حد الکترولیت، قدرت تحرک یون ها را کاهش داده و بر عملکرد سلول اثرگذار خواهد بود. برای درک بیشتر این موضوع، خودکاری را در نظر بگیرید که خشک شده و برای نوشتن روی کاغذ به ماده روان کننده ای نیاز دارد تا با آن ترکیب شود.

سلول انرژی

سلول انرژی لیتیوم یون دارای انرژی ویژه بالاتری می باشد و بمنظور کارکرد برای مدتی طولانی تر ساخته شده است. سلول پاناسونیک NCR 18650BF که یک نوع سلول انرژی محسوب می شود، دارای ظرفیت بالایی می باشد اما زمانی که با نرخ جریان 2C دشارژ می شود، ظرفیت آن کاهش می یابد. با نرخ دشارژ 2C، زمانیکه ولتاژ باتری به ولتاژ قطع 3 ولت می رسد، این سلول تنها قادر به تولید ظرفیتی معادل 2/3 آمپرساعت از کل ظرفیت 2/3 آمپرساعتی خودش خواهد بود. با توجه به ظرفیت بالای این سلول، از آن می توان در کاربردهایی نظیر وسایل الکترونیکی قابل حمل یا بارهایی که نیاز جریان کشی بالایی ندارند، استفاده نمود.

باید دقت شود که از آن جا که ولتاژ قطع این سلول 3 ولت می باشد، در هنگام دشارژ نباید بیشتر از این مقدار اجازه داد ولتاژ پایین تر بیاید زیرا موجب تخریب سلول و کاهش ظرفیت آن خواهد گردید. (ولتاژ قطع بالا و پایین هر سلول در مشخصات فنی کارخانه سازنده داده شده است.)

 

 

 

منحنی های فوق دشارژ سلول پاناسونیک NCR18650BF را در جریان های دشارژ 0.2C، 0.5C، 1C و 2C نشان می دهند.

سلول توان

سلول توان UR18650RX در شکل زیر دارای ظرفیتی پایین تر نسبت به سلول NC18650BF می باشد، اما در مقابل توانایی دشارژ با جریان های بالا را دارا می باشد. همانگونه که از نمودار زیر مشخص است، با دشارژ کردن این سلول با جریان 10 آمپر (5C)، تا رسیدن ولتاژ به ولتاژ قطع 3 ولت، کمترین کاهش ظرفیت را نسبت به دشارژ با نرخ های جریانی پایین تر، اتفاق می افتد. با توجه به مشخصه دشارژ این سلول، از آن در کاربردهایی که نیاز به جریان کشی های بالا از باتری می باشد (نظیر power tools ها)، استفاده می شود.

 

 

 

 

عملکرد بهتر سلول های توانی با کمتر کردن مقاومت داخلی آن ها و بهینه سازی سطح مواد فعال سلول قابل حصول می باشد. هرچه مقاومت داخلی یک سلول پایین تر باشد، در زمان جریان دهی با نرخ های زیاد، افزایش دمای کمتری را تجربه خواهد کرد. معمولا زمانی دمای سلول های توانی لیتیوم یون در زمان دشارژ با بالاترین نرخ جریان تا 50 الی 55 درجه سانتیگراد خواهد بود (حد بالای افزایش دمای سلول های لیتیوم یون تا 60 درجه سانتیگراد می باشد).