Исследование разрядных характеристик литий-ионных аккумуляторов при низких температурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование разрядных характеристик литий-ионных аккумуляторов при низких температурах

Е.А. Нижниковский

Е.А. Скворцов

Появление все новых и многофункциональных изделий радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) диктуют с каждым годом все более высокие требования к источникам автономного электропитания. Наиболее высокие технические характеристики среди аккумуляторов в течение последних лет стабильно демонстрируют литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Однако до последнего времени считалось, что ЛИА не могут эксплуатироваться при температурах, ниже - 20° С, хотя исследователи предпринимали энергичные усилия по решению этой проблемы. Представляло интерес проверить работоспособность ЛИА при пониженных температурах, включая и те модели, на которые нет разрешения на эксплуатацию в таких условиях. Для испытаний были выбраны аккумуляторы производства ведущих фирм SAFT, Sony, AZ и GP последних моделей, включая низкотемпературные серии. Ниже приведены технические параметры исследованных аккумуляторов.

Таблица 1. Характеристики исследуемых аккумуляторов

Испытания проводили в гальваностатическом режиме после термостатирования в течение не менее 2-х часов номинальными и повышенными токами разряда, оговоренными для каждого типа аккумуляторов.

Результаты испытаний ЛИА при температуре - 40є С. Ниже приведены зависимости напряжения аккумуляторов (В) от времени разряда (мин) при токах разряда 0,2Сн, и выше. Были предприняты попытки разрядить аккумуляторы токами 1Сн, но ни один из подвергнутых испытаниям образцов не оказался работоспособным при температуре - 40є С при этом или сколько-нибудь близких к нему токах. В связи с этим при низких температурах испытания проводились током 0,2 Сн и самым большим током, при котором могут работать аккумуляторы при указанной температуре.

В статье не будут приводиться значения разрядной емкости аккумуляторов каждого типа для каждой температуры, т.к. нет критерия окончания разряда. Каждый производитель задает свое конечное разрядное напряжение при низких температурах от 2,2 до 3,0 В. Фирма SAFT, например, считает значение 2,5 В конечным разрядным напряжением даже при НКУ. Поэтому ниже будут приведены все разрядные кривые при всех исследованных режимах, из которых очевидно, на какое время работы и при каком напряжении на аккумуляторе можно рассчитывать.

На рис. 1 изображены разрядные кривые аккумуляторов GP1865 L220 и 18650F2LBE при температуре - 40є С и токе 440 мА (0,2 Cн).

Из рисунка 1 следует, что менее 30 % времени разряда напряжение на аккумуляторах превышает 3 В. Тем не менее, образцы GP1-GP3 имеют близкие характеристики, что говорит о возможности эксплуатировать эти аккумуляторы даже при температуре - 40є С в диапазоне напряжений от 2,3 до 3,1 В. Образцы Q1-Q3 проявили себя несколько хуже. Начальный спад напряжения может быть воспринят аппаратурой, как признак разряженности аккумулятора. Большой разброс характеристик от образца к образцу говорит о непредсказуемости поведения таких аккумуляторов при температуре - 40є С, и о том, что это экстремальные условия для его эксплуатации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Разрядные кривые литий-ионных аккумуляторов GP1865 L220 (GP1 - GP3) и 18650F2LBE (Q1 - Q3) при температуре - 40є С и токе разряда 440 мА (0,2Cн)

Следует обратить внимание на заметный провал напряжения в начале разрядных кривых аккумуляторов 18650F2LBE. Это явление, которое тем заметнее, чем ниже температура, возможно, связано с прогревом электролита в начале разряда. У аккумуляторов низкотемпературных серий этот провал менее заметен, чем у обычных.

Далее те же образцы ЛИА были разряжены при температуре - 40є С током 1А (~ 0.45 Cн). Из рис. 2 видно, что разброс разрядных кривых увеличился, линии кривых стали волнистыми, т.е. непредсказуемость работы аккумуляторов возросла. Колебания напряжения и глубокий провал в начале разряда у образцов аккумуляторов 18650F2LBE могут свидетельствовать о том, что аккумулятор разряжается в непредназначенных для него условиях.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Разрядные кривые аккумуляторов GP1865 L220 и 18650F2LBE при температуре - 40є С и токе 1А (~ 0.45) Cн

Заметим, что GP1865 L220, выпускающийся уже около 10 лет по старой технологии, показал лучшие параметры, чем новый 18650F2LBE. Примечательно, что на GP1865 L220 разряд при температуре - 40є С производитель не заявлял и к низко-температурным сериям не относил.

Далее были проведены совместные испытания аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и ICR18650 компании AZ, тоже заявленных как низкотемпературные (нижний предел температуры - 40є С).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и 1865001AD03116. Зависимость напряжения от времени разряда при температуре - 40є С и токе 440 мА (0,2Cн)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и 1865001AD03116. Зависимость напряжения от времени разряда при температуре - 40є С и токе 600 мА

На рис. 3 и 4 изображены разрядные кривые аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и 1865001AD03116 при температуре - 40є С и токах 440 мА (0,2 Cн) 660 мА (0,3 Cн). В принципе, картина повторяется: те же неожиданные колебания напряжения, тот же глубокий провал в начале разряда. По-прежнему GP1865 L220 превосходит остальные образцы, но примечательно другое. При температуре - 40є С образцы аккумуляторов 18650F2LBE и 1865001AD03116 показывают более высокие характеристики при большем токе! Разрядные кривые при токе 600 мА, рис. 3, стали походить на обычные разрядные кривые, без бросков и осцилляций, как при токе 440 мА. Более того, время разряда при большем токе увеличилось. Вероятно, при температурах около - 40є С происходят фазовые превращения в электролите, которые влияют на внутреннее сопротивление источника тока. На повышенных токах происходит разогрев ЛИА и очередной фазовый переход (плавление электролита) приводит к заметному повышению электропроводности и повышению разрядных характеристик. Полагаем, что эти аккумуляторы при температуре - 40є С применять нельзя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и 1865001AD03116. Зависимость напряжения от времени разряда при температуре - 30є С и токе 440 мА (0,2Cн)

Аналогичные испытания были проведены при температуре - 30є С. Разрядные характеристики испытуемых ЛИА заметно улучшилась. Аккумуляторы 1865001AD03116 начали оправдывать свое называние низкотемпературных. Разрядные характеристики, конечно, не такие, как при НКУ, но довольно близкие. И разрядное напряжение, и время разряда до напряжения 3 В у 1865001AD03116 заметно выше, чем у GP1865 L220, см разрядные кривые на рис. 3 и рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и 1865001AD03116. Зависимость напряжения от времени разряда при температуре - 30є С и токе 900 мА

Аккумуляторы ICR18650 - довольно новая разработка низкотемпературных Li-Ion аккумуляторов с минимально температурой - 40є С. Первые поставки в Россию приходятся на весну - лето 2011. Образцы этих аккумуляторов на испытаниях при температуре - 30є С показали себя хуже всех. Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов ICR18650 при разных токах разряда показано на рис. 7 и рис. 8.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Разрядные кривые ЛИА ICR18650 при температуре - 30є С и токе разряда 440 мА (0,2 Cн)

Из рисунков видно, что образцы аккумуляторов ICR18650 при более высоких токах работают лучше, чем при 0,2 Сн. Из рис. 8 следует наличие резкого спада и глубокого провала напряжения в начале разряда. Разрядное напряжении не велико, что вполне понятно для токов разряда 1100 мА (0,5 Сн). Примечательно другое: разрядные кривые на рис. 7 при токе разряда 440 мА (0,2 Cн) выглядят еще хуже. Провал напряжения в начале разряда имеется, однако неглубокий, но само разрядное напряжение, будучи в начале разряда несколько выше, чем при токе 0,2 Сн (см. рис. 7), быстро падает, не образуя плоского участка характеристики и спада в конце разряда. Полученные результаты свидетельствуют о плохой работоспособности испытанных аккумуляторов ICR18650в условиях разряда при температуре - 30є С и токе разряда 1100 мА (0,5 Сн).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Разрядные кривые ЛИА ICR18650 при температуре - 30є С и токе разряда 1100 мА (0,5Сн)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Разрядные кривые аккумуляторов ICR18650-26C при температуре - 30є С и разрядном токе 520мА (0,2 Cн)

Испытания аккумуляторов UR18650FM и ICR18650-26C при температуре - 30єС.

Строго говоря, аккумуляторы UR18650FM и ICR18650-26C не предназначены для работы при низких температурах. Их температурный диапазон ограничен температурой - 20є С для UR18650FM и -10є С для ICR18650-26C. Тем не менее, в рамках проводимых исследований была проведена проверка «в режимах, не оговоренных в технической документации на ЛИА».

Аккумуляторы UR18650FM, предназначенные для работы при температуре до - 20є С, оказались неработоспособными при температуре - 30є С при токах 520 мА и 1000 мА. Низкие значения разрядного напряжения и его колебания, а так же провал ниже 2,5 В в начале разряда не дают возможности рекомендовать использовать этот аккумулятор при температуре - 30є С.

Аккумуляторы ICR18650-26C, предназначенные для работы при температуре не ниже - 10є С, причем разрядная емкость при этой температуре должна была составлять 50 % от номинальной, вполне прилично отработали при температуре - 30є С. На рис. 9 приведены соответствующие разрядные кривые.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Разрядные кривые аккумуляторов ICR18650-26C при температуре - 30є С и разрядном токе 1000 мА (0,45 Cн)

Из рисунков видно, что разрядное напряжение стабильно, его колебания невелики, а провал в начале разряда незначителен, особенно при токах 0,2 Сн. Если выяснится, что работа при температуре - 30є С не сказывается губительно на состоя-нии аккумуляторов, можно смело говорить о возможности их использования при температуре - 30є С.

Исследования работоспособности ЛИА упомянутых выше типов были проведе-ны при температуре - 20є С. Здесь хорошие характеристики показали все без исклюю-чения аккумуляторы. И разрядное напряжение, и время разряда до напряжения 3 В намного увеличилось, почти полностью исчезли провалы в начале разряда, см. рис. 11 и рис. 12.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов GP1865 L220, и 1865001AD03116 с аккумуляторами MP 174565 (SAFT). Зависимость напряжения от времени разряда при температуре - 20є С и токе 0,2 Сн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов GP1865 L220, и 1865001AD03116 при разных токах разряда. Зависимость напряжения от времени разряда при температуре - 20є С и токе 0,2 Сн

Однако следует обратить внимание на разброс характеристик образцов аккумулятора ICR18650 при токе 1200 мА, см. рис. 14, а так же малое время разряда до напряжения 3 В.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13. Разрядные кривые аккумуляторов ICR18650 и 1865001AD03116 при температуре - 20є С и токе разряда 440мА (0,2 Cн)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 14. Разрядные кривые аккумуляторов ICR18650 и 1865001AD03116 при температуре - 20є С и токе разряда 1200 мА (0,55 Cн)

Так же хорошие характеристики показали при температуре - 20є С образцы аккумуляторов 18650VTC1, особенно при больших токах разряда. Это единственный среди испытанных цилиндрических аккумуляторов, способный обеспечивать ток 1 Сн при температуре - 20є С при напряжении не ниже 3 В (рис. 15-16).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 15. Разрядные кривые аккумуляторов 18650VTC1 при температуре - 20є С и токе разряда 520 мА (0,2 Cн)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 16. Зависимость напряжения от времени разряда аккумуляторов 18650VTC1 при температуре - 20є С и токе разряда 1300 мА (1 Cн)

Проведены испытания аккумуляторов UR18650FM и ICR18650-26C при температуре - 20є С, результаты которых показали, что указанные модели вполне работоспособны и могут эксплуатироваться в указанных условиях (рис. 17-18).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 17. Разрядные кривые аккумуляторов UR18650FM и ICR18650-26C при температуре - 20є С и токе разряда 1А (0,4 Cн)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 18. Разрядные кривые аккумуляторов UR18650FM и ICR18650-26C при температуре - 20є С и токе разряда 1,3А (0,5 Cн)

Изучены разрядные характеристики современных моделей литий-ионных аккумуляторов ведущих фирм-производителей при пониженных (- 20 ч - 40є С) температурах. Показано, что большинство моделей работоспособны в этих условиях, независимо от того, допускается ли это по рекомендациям фирм.

Все исследованные современные модели ЛИА ведущих фирм-производителей показали заметную работоспособность при температурах - 40є С и токах разряда 0,2 Cн. Повышение токов разряда при этой температуре неизбежно приводило к потере работоспособности ЛИА. При температурах - 30є С и особенно - 20є С, допустимые токи разряда повышаются, вплоть до 0,5 Cн.

Литература

акумулятор электролит литий ионный

1. Нижниковский Е.А. Портативные химические источники тока. М. Изд-во «Спутник+». 2008. 220 с.

2. Нижниковский Е.А. Химические источники автономного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: МЭИ. 2004. 226 с.

3. Нижниковский Е.А. Обеспечение взрывобезопасности литиевых химических источников тока. Электрохимическая энергетика. 2001, т. 1, № 3, с. 39-44.

4. Нижниковский Е.А. Перспективы использования химических источников тока для электропитания автономной радиоэлектронной аппаратуры. Современная электроника. № 2. 2010. С. 12-17.

5. Нижниковский Е.А., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Создание тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов с использованием наноматериалов//Автономная энергетика. М.: НПП «Квант», № 28. 2011. С. 39-45.

Размещено на Allbest.ru