Чи потрібно повністю заряджати літій-іонні акумулятори?

Принцип роботи літій-іонного акумулятора

Спрямований рух електронів утворює електричний струм. Струм тече від позитивного полюса до негативного, але по суті це потік електронів від негативного до позитивного. І багато речовин у природі мають електрони, і якщо ми зможемо штучно керувати рухом цих електронів, то зможемо робити батареї.

На малюнку вище зображена структура першої у світі батареї, яка може генерувати електричний струм за допомогою мідних, цинкових листів і солоної води. Хоча ми не знаємо конкретного принципу, ми можемо уявити, що причиною її розрядки є рух електронів, який, по суті, відбувається в ній. Давайте подивимося, як цинк і мідь генерують електричний струм.

Ми всі знаємо, що атом складається з ядра і зовнішньої оболонки з електронів. Цинк має два електрони на своїй зовнішній оболонці. Оскільки він дуже активний, він більш схильний до втрати електронів. У зовнішньому шарі ядра елемента міді є один електрон. Хоча він більш схильний втрачати електрони, він не такий активний, як цинк, тому мідь більш схильна до набуття електронів, ніж цинк.

Отже, коли ми з'єднаємо мідний і цинковий листи дротами, зовнішні електрони цинкового елемента рухатимуться до мідного листа, викликаючи таким чином спрямований рух електронів і генеруючи струм.

Але такі батареї все одно непридатні для використання. Оскільки цинк втрачає електрони і перетворюється на позитивно заряджені іони цинку, позитивний і негативний заряди притягуються один до одного, що притягує електрони і заважає їм рухатися далі до міді. Тому така структура не може продовжувати генерувати струм.

Що ж можна зробити, щоб генерувати стабільний струм? Відповідь - додати електроліт. Щоразу, коли атом цинку втрачає електрони, утворюючи іони цинку, іони цинку потрапляють в електроліт і рухаються до міді через електроліт. Це запобігає адсорбції електронів, дозволяючи електронам продовжувати рух для генерування струму.

Просто ця батарейка одноразова і не підлягає перезарядці. Принцип роботи літієвих батарей такий самий, як і у вищезгаданих, і полягає в міграції електронів для генерування струму. Різниця в тому, що літієві батареї можна перезаряджати.

Катодом літієвої батареї є літієва сполука, наприклад, потрійний літій або літій-залізо-фосфат, а анодом - графіт. Під час заряджання електрони з катода перетікають із зовнішнього ланцюга до анода під дією позитивної напруги джерела живлення. У той же час іони літію, що генеруються катодом, через електроліт потрапляють в графіт анода.

Під час розряду електрони повертаються від анода до катода через зовнішній ланцюг, в той час як іони літію повертаються до катода з електроліт для літій-іонних акумуляторів. Це принцип, за яким заряджання та розряджання літій-іонного акумулятора.

Чому не рекомендується повністю заряджати потрійну літієву батарею?

Це в основному пов'язано з характеристиками матеріалу катода. Як згадувалося раніше, літієві батареї в основному покладаються на рух іонів літію та електронів вперед-назад для генерування струму та зберігання електроенергії. Під час заряджання електрони та іони літію виштовхуються з катода і надходять до анода. Під час розряду іони літію та електрони вивільняються з анода і надходять до катода.

Якщо під час заряджання іони літію надходять на катод, а під час розряджання катод все ще зберігає положення іонів літію, то ємність акумулятора буде важко розряджатися. Якщо під час заряджання іони літію надходять на катод, але вакансії зайняті іншими речовинами, то частина іонів літію в катоді не матиме куди подітися під час розряджання, що призведе до зниження ємності акумулятора.

Матеріал катода потрійного літієвого акумулятора нестабільний, а двовалентні іони нікелю та іони літію в ньому мають однаковий діаметр. Під час заряджання всі іони літію рухаються до анода. У цей час деякі іони нікелю можуть зайняти місце іонів літію, що призводить до зниження ємності акумулятора.

Тому при проектуванні батареї кількість катодних матеріалів у потрійних літієвих батареях буде більшою, ніж анодних. Простіше кажучи, це забезпечує більше іонів літію і місця для зберігання іонів літію, що може забезпечити стабільність ємності. Але це приносить нову проблему, тобто анод не має стільки місця, щоб вмістити всі іони літію в батареї під час заряджання.

Це вимагає обережності під час заряджання. Зарядку слід вчасно припинити після того, як анод заповниться іонами літію. Інакше іони літію продовжуватимуть рухатися до анода, і анод більше не матиме місця для їх розміщення.

У цей час іони літію кристалізуються, що в кращому випадку може вплинути на тривалість життя, або ж пробити мембрану і спричинити коротке замикання, що становить небезпеку. Тому корисно зменшити цей ризик, заряджаючи акумулятор не повністю щоразу.

Чому батареї LiFePO4 потрібно регулярно повністю заряджати?

Оскільки напруга батареї є важливою основою для системи управління батареєю, яка оцінює потужність акумуляторної батареї, діапазон робочої напруги літій-залізо-фосфатних батарей особливо вузький, і її напруга дуже мало змінюється зі зміною ємності в широкому діапазоні.

Наприклад, напруга може бути однаковою для батарей 30% і 60%. Ця особливість зводить систему керування акумулятором з розуму, і вона взагалі не може судити про ємність акумулятора за напругою. Тому його потрібно регулярно повністю заряджати і давати системі керування акумулятором відкалібрувати потужність.

Більше того, молекули катодні матеріали У літій-залізо-фосфатних акумуляторах іони літію розташовані дуже щільно, що робить їх дуже стабільними, але також обмежує швидкість руху іонів літію, що призводить до низької щільності енергії.

Однак завдяки своїй високій стабільності, коли під час заряджання іони літію стікають до негативного електрода, інші речовини не займуть місце іонів літію на позитивному електроді, тому термін його служби довший, і він не такий чутливий до перезарядки, як потрійні літієві акумулятори.

Тож якщо ви купуєте двоколісний електричний велосипедПеред початком заряджання необхідно з'ясувати, який тип акумулятора використовується в транспортному засобі. Найкраще уважно прочитати інструкцію з експлуатації та дотримуватися вказівок щодо заряджання акумулятора, щоб максимально продовжити термін його служби.