Эксплуатация литий ионных аккумуляторов зимой

Литиевый аккумулятор на морозе

Статья обновлена: 2020-08-21

Пользователи литиевых батарей не понаслышке знают, что на холоде заряд исчерпывается быстрее. Это характерно не только для аккумуляторов смартфонов. Любая литиевая батарея на морозе теряет свою емкость, а насколько – зависит от химического состава используемого электролита. Наиболее подходящими для эксплуатации в холодный период считаются батареи типа LiFePO4 – литий-железо-фосфатные. Литиевые элементы питания другого химического состава также используются зимой, но по сравнению с эксплуатацией в теплый сезон эффективность их работы падает.

Что происходит с Li-ion аккумуляторами на морозе?

Из-за снижения температуры электролита уменьшается скорость движения ионов и интенсивность прохождения химических реакций. На практике это выглядит так: при комнатной температуре аккум имеет заряд 100%, а после попадания на улицу и дальнейшего пребывания на холоде падает до 80% и ниже, не считая расходования энергии на питание устройства. Но потеря емкости литий-ионных аккумуляторов на морозе – временное явление. При последующем прогреве до комнатной температуры характеристики накопителей энергии полностью восстанавливаются.

Необратимое повреждение происходит только при охлаждении ниже допустимого уровня в -40 °С. Во избежание негативных последствий для большинства литий-ионных АКБ рекомендуется не превышать нижнюю температурную границу в -20 °С, для литий-железо-фосфатных – минус 30 °С. В целом литиевые аккумуляторы и мороз вполне совместимы. Главное – помнить, что на холоде АКБ разряжаются быстрее, а долгое хранение при глубоком разряде ведет к неминуемой смерти батареи.

Можно ли хранить Li-Ion аккумуляторы на морозе?

В отличие от эксплуатации, длительное хранение литиевых аккумов на морозе недопустимо. При низких температурах временно снижается токоотдача, и увеличивается скорость саморазряда источников питания. Это некритично, если после использования АКБ снова окажется в помещении с плюсовой температурой и после нагрева будет заряжена.

Но при долгом хранении на холоде быстрый саморазряд может спровоцировать критическую разрядку источника питания. А при хранении Li-Ion аккумуляторов на протяжении 3-х месяцев или более длительного срока с напряжением ниже 2,5 В емкость теряется необратимо – АКБ утрачивает способность к восполнению заряда. Поэтому заморозка литий-ионным аккумуляторам противопоказана. Оптимальная температура для их хранения– от +1 до +25 °С, допустимая – от 0 до +40 °С.

Хранить литиевые АКБ нужно в сухом месте, извлеченными из оборудования, с уровнем заряда порядка 40%. Это поможет не допустить критического снижения напряжения при саморазряде. Если же напряжение упадет ниже значения 2,5 В на элемент, последующее хранение АКБ в течение 3-х месяцев или более длительного срока приведет к невосстанавливаемому падению емкости. Может произойти и коррозия элементов. При хранении аккумуляторов более 7 дней с напряжением до2 В на элемент происходит критическое изменение их химической структуры. Такие элементы питания подлежат утилизации.

Можно ли заряжать литиевые аккумуляторы на холоде?

Зарядка литиевых АКБ на морозе недопустима. Более того – после использования при низкой температуре аккумуляторную батарею нужно выдержать в помещении, чтобы она прогрелась. Прогрев должен быть естественным и постепенным, без использования близко расположенных источников тепла.

Оптимальный температурный диапазон для подзарядки литий-ионных АКБ – от +10 до +25 °С. Если зарядить литиевый аккумулятор на холоде, при последующем нагреве накопитель энергии окажется перезаряженным. А перезаряд, как и критический разряд, губительно сказывается на работоспособности батарей и их ресурсе.

Простые правила для сохранения работоспособности АКБ

Уберечь литий-ионные батареи от преждевременного выхода из строя поможет соблюдение нижеприведенных правил:

1. Заряжайте АКБ, не дожидаясь ее глубокого разряда, при положительных температурах.
2. Не заряжайте переохлажденные источники питания. Вначале прогрейте их до комнатной температуры.
3. Используйте оригинальные зарядные устройства, рекомендованные для данной модели АКБ ее производителем.
4. Не храните литиевые батареи на морозе и при температуре выше 30 °С.
5. На длительное хранение отправляйте АКБ с уровнем заряда 35–50%.
6. Не допускайте продолжительного хранения накопителей энергии в состоянии глубокого разряда, иначе они быстро деградируют.
7. Избегайте перезаряда источника питания. Он неизбежен, если полностью зарядить АКБ в прохладе, а затем внести в более теплое помещение.

Морозоустойчивость литиевых аккумуляторов разных типов

​К эксплуатации в холода наиболее адаптированы аккумуляторы на основе литий-железо-фосфата и литий-титаната (LiFePO4 и Li4Ti5O12). Но для оснащения персонального электротранспорта модели на основе литий-титаната практически не используются из-за высокой цены и низкой удельной энергоемкости. Другое дело – батареи LiFePO4. Они считаются лучшим вариантом для использования в холодное время года, т.к.:

1. способны работать в широком температурном диапазоне – от -30 до +55°C;
2. отличаются малым сопротивлением;
3. долговечны;
4. термически стабильны;
5. терпимы к высокому заряду;
6. могут храниться при высоком напряжении;
7. максимально безопасны в применении, даже при 100% заряде.

Более чувствительны к низким температурам Li-Ion аккумуляторы типа LiCoO2 (литий-кобальтовые), LiMn2O4 (литий-марганцевая шпинель), LiNiMnCoO2 (литий-никель-марганец-кобальт-оксидные, сокращенно NMC).

Способы защиты литиевых АКБ от холода

Чтобы уберечь аккумуляторную батарею от воздействия отрицательных температур, не оставляйте ее надолго на морозе – по возможности снимайте АКБ и заносите в помещение. Защитить батарею от переохлаждения во время работы позволяет использование термокейса. Для его изготовления можно использовать изолон, пенопласт и другие термоизоляционные материалы. В процессе работы АКБ нагреется, а термокейс не даст ей быстро остыть во время непродолжительной стоянки.

Выводы

Боятся ли литиевые аккумуляторы мороза – зависит от химического состава используемого накопителя энергии и соблюдения правил его эксплуатации. Наиболее устойчивы к воздействию отрицательных температур батареи типа LiFePO4. Остальные литий-ионные АКБ также допустимо использовать зимой (до -20 °С), но желательно поместить их в термокейс из теплоизоляционных материалов.

Дальность хода на одном заряде у одной и той же батареи зимой будет ниже, чем в теплое время года, поскольку при снижении температуры временно уменьшается и емкость АКБ. Заряжать и хранить литиевые АКБ нужно исключительно при положительных температурах. После использования в холодных условиях аккумулятор нужно внести в помещение и выдержать 2–3 часа при комнатной температуре, а затем зарядить.

Источник

На Токе заряженный портал

Как ведут себя Li-ion аккумуляторы на морозе и как их правильно эксплуатировать в таких условиях — На токе

• Статьи об электротранспорте
• Технологии
• Аккумуляторы
• Как ведут себя Li-ion аккумуляторы на морозе и как их правильно эксплуатировать в таких условиях

Как ведут себя Li-ion аккумуляторы на морозе и как их правильно эксплуатировать в таких условиях

Тот, в чьём распоряжении находятся литий-ионные аккумуляторы, прекрасно знает, что на холоде они разряжаются гораздо быстрее чем в тепле. Причём это правило действует не только в отношении смартфонов. На морозе в ускоренном режиме теряет свою ёмкость любой Li-ion накопитель, а вот насколько именно — зависит от химсостава применяемого в нём электролита.

Самые пригодные для мороза — литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи. Понятное дело, что зимой можно использовать и литиевые источники питания другого химсостава, только такой солидной отдачи, как в тёплое время года, от них ждать не приходится. Ну а в данной теме я хочу обсудить такие вопросы: что происходит с литиевым накопителем энергии на морозе и как правильно обращаться с такими источниками питания при серьёзном минусе на улице.

Содержание:

• Что происходит с Lithium-ion электронакопителями на морозе?
• Можно ли хранить Lithium-ion электронакопители на морозе?
• Допустимо ли заряжать Lithium-ion батареи при минусовой температуре?
• Как сохранить работоспособность Lithium-ion АКБ — простые правила.
• Какая стойкость к минусовым температурам у разных типов Lithium-ion источников питания?
• Как защитить Li-ion накопитель от холода?
• Влияние холода на Lithium-ion электронакопители разных производителей и моделей (результаты одного теста).
• Морозостойкие Lithium-ion аккумуляторы Boston Power Swing 5300.

Что происходит с Lithium-ion электронакопителями на морозе?

Снижается температура электролита, что влечёт за собой уменьшение скорости движения ионов, также снижается активность химических процессов. Как это выглядит на практике? Вот зарядили мы в доме электронакопитель на сто процентов, выходим с ним на мороз и через некоторое время вуаля — ёмкость нашего аккумулятора уже 80% или даже 50%! Это без учёта того, что ещё девайс будет отбирать у нашей батарейки драгоценную энергию.

Если сравнивать объём отдаваемой энергии при +20 градусах и других показателях температуры, то:

• при снижении температурного режима до +4 градусов, количество отдаваемой энергии снизится на 5-7%;
• при последующем падении температуры ниже нуля, потеряется 20-50% ёмкости и кроме того, будет преждевременно исчерпываться ресурс электронакопителя.

Тут имеет место очень интересный момент: потеря ёмкости АКБ — явление временное. Если вы нагреете источник энергии до +20. +22 градусов (это комнатная температура), его характеристики полностью восстановятся. А вот если температура АКБ опустится ниже минус сорока — необратимых последствий для батарейки избежать не удастся. Чтобы не доводить свой накопитель до крайностей, не следует использовать его при температуре ниже -20 градусов, для литий-железо-фосфатных — ниже -30 градусов. Однако если говорить в общем, то литиевые АКБ и минусовые температурные режимы — вполне могут подружиться.

Помните: при минусе за окном, батареи разряжаются в ускоренном режиме, а продолжительное хранение электроаккумулятора при глубоком разряде, влечёт за собой неизбежный выход из строя.

А вот примерные потери ёмкости в зависимости от уровня заряда и температурного режима при хранении батареи:

Можно ли хранить Lithium-ion электронакопители на морозе?

Как уже было сказано выше, эксплуатировать Li-ion АКБ при отрицательной температуре окружающей среды можно, хотя они и утрачивают в некоторой степени свои рабочие кондиции. Совсем по другому обстоят дела с долгим хранением в холодной среде — тут вердикт однозначен — это вообще недопустимо. При минусовых показателях временно понижается отдача тока и возрастает темп саморазряда аккумулятора. В принципе, это не критично, если после использования электронакопитель опять перенести в тёплое место и после нагревания подвергнуть зарядке.

Однако при продолжительном хранении при отрицательной температуре, ускоренный саморазряд может обусловить критический разряд электробатареи. Если АКБ хранится с напряжением ниже 2,5 V, 90 дней или дольше – будет наблюдаться необратимая потеря ёмкости. Иначе говоря, батарея не сможет восполнять заряд. Отсюда следует простой вывод — «замораживать» Li-ion строго противопоказано. Самый приемлемый температурный режим для хранения таких изделий — +1. +25 градусов, максимально дозволенный — 0. +40 градусов.

Для хранения литий-ионных источников питания найдите сухое место и кроме того, АКБ не должна находиться в оборудовании, которое она обслуживает. Также, уровень заряда должен находиться на 40-процентной отметке. Все эти мероприятия позволят уйти от крайнего понижения напряжения при саморазряде.

Очень не повезёт тому юзеру, у которого напряжение упадёт ниже отметки 2,5 V на элемент. Если такое произойдёт, то последующее хранение электронакопителя в течение 90 дней или более, повлечёт за собой необратимую потерю ёмкости. Также, можно ожидать и коррозию элементов. Если гаджет хранится больше недели с напряжением до 2 V на компонент, будет иметь место пагубное преобразование химической структуры. По итогу, эти компоненты придётся утилизировать.

Допустимо ли заряжать Lithium-ion батареи при минусовой температуре?

Заряжать литиевые источники энергии на морозе категорически не рекомендуется. После того как накопитель поработал на минусовой температуре, его необходимо нагреть в помещении. Но, прогревать аппаратуру нужно естественным образом, постепенно. Не располагайте её вблизи источников тепла.

При какой температуре заряжать лучше всего? Оптимальным считается диапазон +10. +25 градусов. Если накопитель зарядить на морозе и занести в тёплое помещение, он окажется заряженным сверх нормы. Перезаряд в свою очередь, как и крайний разряд, пагубно сказывается на эффективности функционирования батареек и продолжительности их жизни.

Как сохранить работоспособность Lithium-ion АКБ — простые правила

Не хотите преждевременно распрощаться с вашей драгоценной батарейкой? Соблюдайте приведённые ниже правила:

1. Заряжайте накопитель энергии не доводя его до критического разряда, при плюсовой температуре.

2. Не заряжайте переохлаждённые АКБ — сначала прогрейте их до комнатной температуры.

3. Для зарядки батарей используйте только оригинальную зарядную аппаратуру, которую рекомендует производитель для своей продукции.

4. Не храните накопитель при отрицательных температурах. Однако не нужно думать, что высокая температура идёт на пользу изделию. Превысите +30 градусов — также будут проблемы.

5. Если источник энергии предполагается оставлять на долгосрочное хранение, обеспечьте ему 35-50% заряда.

6. Не храните продолжительное время глубоко разряженные электроаккумуляторы. В этой ситуации они будут деградировать в ускоренном режиме.

7. Не допускайте перезарядки батареи. Если вы зарядите батарейку на 100% при минусе, а затем обеспечите ей комнатную температуру — перезаряда не избежать.

Какая стойкость к минусовым температурам у разных типов Lithium-ion источников питания?

Каким же разновидностям литиевых накопителей энергии отдать предпочтение в морозную погоду? Лидерами здесь являются литий-железо-фосфатные и литий-титанатные изделия. Последние кстати, на индивидуальном электрическом транспорте применяются крайне редко. Почему? К сожалению, ценник на такие изделия огорчает очень многих пользователей и кроме того, у них низкая удельная энергоёмкость.

Совсем другая ситуация с литий-железо-фосфатными источниками энергии. В холодное время года им просто нет равных! Поэтому, стоит поближе познакомиться с их достоинствами:

1. Могут полноценно выполнять свои прямые обязанности в широком диапазоне температур — -30. +55 градусов.

2. Обладают низким сопротивлением.

3. Отличаются долговечностью.

4. Термически стабильны.

5. Устойчивы к высокому уровню заряда.

6. Можно хранить при высоком напряжении.

7. Максимально безопасны в использовании, даже при стопроцентном заряде.

Не стоит рассчитывать на эффективную работу при минусе обладателям таких разновидностей литиевых АКБ:

• литий-кобальтовые;
• литий-марганцевые;
• литий-никель-марганец-кобальт-оксидные.

Как защитить Li-ion накопитель от холода?

Чтобы по максимуму снизить негативное влияние минусовых температур на аккумуляторную батарею, не нужно оставлять её на продолжительное время на морозе. Старайтесь изымать АКБ с устройства и заносить её в тёплое помещение.

Отличным решением будет применение термокейса, который, в принципе, можно изготовить и собственными руками. В процессе своей деятельности аккумулятор будет нагреваться, а утеплитель не даст ему быстро потерять тепло во время не длительного простоя.

Влияние холода на Lithium-ion электронакопители разных производителей и моделей (результаты одного теста)

Я предлагаю вам интересный эксперимент, который показывает, что литий-ионные источники питания весьма разнятся по последствиям воздействия на них низких температур. Даже если батареи имеют схожие характеристики, при морозе их работоспособность будет отличаться в значительной степени.

Для тестирования были выбраны семь Li-ion накопителей энергии формата 18650:

Приведённые выше модели АКБ являются наиболее распространёнными и доступными. Они могут выдерживать постоянный ток разряда до 20 A. Эти батареи можно обнаружить на электрифицированных средствах передвижения, в аккумуляторном инструменте, портативных источниках энергии, а также электронных сигаретах.

Тесты осуществлялись при температуре -24 градуса. Ток разряда — 10 A. В процессе тестирования элементы не извлекались из морозилки.

Результаты замеров

Все источники энергии проявили активность, однако с очень разными результатами.

Ниже приведён график разряда накопителей при комнатной температуре и при температуре -24 градуса:

При увеличении графика можно наблюдать, что накопители отличаются по своему поведению в значительной степени. У Samsung 30Q напряжение опустилось до критических показателей, а кривая LG HG2 пребывает в штатном диапазоне напряжений.

Разряд литий-ионных батарей при температуре -24 градуса:

Что мы можем наблюдать на данном графике? Ничего хорошего для Samsung 30Q. Напряжение батарейки просело до минимально дозволенного, а из этого следует, что девайс на котором установлены элементы Samsung 30Q, в сильный мороз с большой вероятностью не запустится.

Разряд Samsung 30Q при температуре -24 градуса:

Как изменяется напряжение источников энергии на морозе

Батарейки целые сутки находились в морозилке при температуре -24 градуса. При замерах, изделия из места заморозки не извлекались.

Номинальное напряжение накопителей — 3,6 V, предел рабочих напряжений — 2,5-4,2 V. Как правило, электроника адекватно функционирует в пределе напряжений 2,7-4,2 V. Осветительные приборы и другие не слишком требовательные девайсы могут выполнять свои прямые обязанности и в более широком диапазоне — 2,5-4,35 V.

Результаты замеров:

• Samsung 30Q — 2,68 V;
• Samsung 25R — 2,78 V;
• Sony VTC5 — 2,6 V;
• LG HE2 — 2,89 V;
• LG HE4 — 2,82 V;
• LG HG2 — 3,16 V;
• Sanyo NSX — 2,67 V.

Как видим, напряжение на всех АКБ превышает напряжение разряда. У LG HG2 оно приближено к номинальному. У Samsung 25R, LG HE2 и LG HE4 — скромнее номинального, но в то же время, его хватает для запуска большинства гаджетов. А вот и неудачники: Samsung 30Q, Sony, а также Sanyo — у них напряжение приближено к нижней черте диапазона. Весьма вероятно, что гаджет обслуживаемый данными элементами не заработает, а индикатор уровня заряда продемонстрирует полный разряд батареи.

Влияние мороза на время функционирования АКБ

График демонстрирует, что продолжительность функционирования батарейки LG HG2 при минусе и при домашней температуре — идентичная:

Делаем выводы по эксперименту

1. Литий-ионные источники энергии весьма разнятся между собой. Вроде бы и характеристики у них одинаковые, а вот на морозе они показывают себя по-разному.

2. Снижение эффективности функционирования при минусовых температурах — это не «заслуга» самой литий-ионной технологии. Здесь имеет место специфика отдельно взятой модели электронакопителя.

3. Для минусовой температуры вполне удачным вариантом будут электробатареи LG HG2.

4. На переохлаждённых источниках питания напряжение растёт первые 50-100 секунд. Почему так происходит? Тут всё просто: разряжаясь АКБ производят тепло и таким образом создают себе обогрев. Кроме того, батареи могут получать дополнительное тепло от электронных схем, находящихся в едином корпусе с ними.

5. Не нужно сразу выжимать из промёрзшего электронакопителя полную мощность. Выгоднее будет дать ему повысить температуру на средней мощности.

Морозостойкие Lithium-ion аккумуляторы Boston Power Swing 5300

И напоследок, я бы хотел предложить на ваш суд морозоустойчивые накопители с весьма привлекательными характеристиками:

По размерам и массе, один элемент Swing 5300 идентичен парочке традиционных 18650, а его ёмкость при этом составляет 5300 mAh (это как два элемента по 2650 mAh). Кстати сказать, Boston Power предоставил вполне «правдивый» показатель ёмкости — юзеры убедились в этом лично, после проведения замеров «на честность».

А вот и результаты суровых испытаний. Перед проверкой, изделия сутки пролежали в морозилке при температуре -18 градусов и далее, заряженный источник питания непринуждённо отдавал заряд, а разряженный — «заправлялся» без проблем. При этом наблюдалось незначительное понижение ёмкости на таком минусе.

Конечно, после основательного перемерзания, АКБ «затормаживается» в некоторой степени, но, как только батарея включается в процесс работы, в течении 2-3 минут она приходит в себя. При этом не важно, работает она на заряд или разряд.

Что касается других характеристик, то по ёмкости морозоустойчивая разработка несколько уступает современным Li-ion элементам, к примеру тому же всенародно обожаемому Panasonic 3400. Однако разница эта не существенная — приблизительно 20%. Зато, Swing 5300 может порадовать пользователей количеством циклов перезарядки, которое в несколько раз превышает таковое у обыкновенного Li-ion накопителя.

Ещё один, весьма значимый момент: по напряжению заряда/разряда Swing 5300 соответствуют остальным Lithium-ion источниками питания. То есть, их можно юзать с той же электроникой и комбинировать в параллель с обычными «летними» элементами, для создания более ёмкого накопителя энергии.

Изделия можно юзать как в холодное время года, так и жарким летом. Можно использовать и в «переходной» период: к примеру в марте, когда всё ещё можно «попасть» на морозы, но в то же время уже достаточно много солнечных дней.

Что по деньгам? Вполне употребимо — цена как на традиционный качественный Lithium-ion.

Кстати сказать, изначально ориентир фирмы Boston Power был в первую очередь на разнообразные электрифицированные средства передвижения, где устойчивость к морозам и большой ресурс стояли во главе угла. Также их разработчики работали в направлении альтернативной энергетики. А вот и изюминка: сейчас источники питания Boston Power активно покапает NASA! Так что, в вашем распоряжении за доступную себестоимость могут оказаться чуть ли не «космические технологии»!

Заключение

Можно ли нормально эксплуатировать литий-ионные источники энергии при минусовых температурах? Можно, и тут всё зависит от химсостава используемой батарейки и соблюдения правил её эксплуатации. Больше всех не боятся мороза литий-железо-фосфатные АКБ. А что касается остальных представителей Li-ion технологии, то их также можно юзать зимой, вот только температура окружающей среды не должна быть ниже -20 градусов. Конечно, есть возможность немножко облегчить жизнь «подмороженным» девайсам. К примеру, их можно поместить в термокейс изготовленный из теплоизоляционных материалов.

Бессмысленно спорить с тем фактом, что запас хода у одного и того же электронакопителя зимой будет скромнее, чем при плюсовой температуре. К сожалению, от временного снижения ёмкости АКБ в зимнее время — никуда не деться!

По вопросам зарядки и хранения, ответ прост — всё это нужно делать исключительно при положительных температурах. Если источник энергии нужно установить на подзарядку, а он переохлаждён, занесите его в тёплую комнату, подождите 2-3 часа пока изделие нагреется, и только потом подключайте к нему зарядное устройство.

Источник