Come è possibile caricare completamente una batteria agli ioni di litio in 35 minuti?

Mi capita di possedere un trapano elettrico / un driver che funziona con una batteria agli ioni di litio e viene spedito con un caricabatterie che lo carica completamente in 35 minuti e afferma di caricarlo al 70% in 15 minuti.

Secondo le risposte a questa domanda, la massima corrente di carica per le batterie agli ioni di litio è di circa 1 ° C che, tenendo conto delle perdite, significa che il tempo di ricarica dovrebbe essere di almeno più di un'ora. Ciò è coerente con la mia esperienza di utilizzo di altri dispositivi come i telefoni cellulari: impiegano circa 1,5 ore per caricarsi completamente.

Come è quindi possibile caricare una batteria agli ioni di litio in circa 35 minuti?

Come è possibile? Ogni produttore di batterie Li sotto il sole vuole creare batterie ricaricabili rapidamente, quindi è un argomento di ricerca caldo.

Questo articolo del 2007 fa luce sull'argomento degli interni delle celle LiIon a carica rapida:

Non esiste una definizione standard per le celle ad alta velocità di drenaggio, ma le linee guida di progettazione di base stabiliscono che le celle standard a base di ossido di cobalto possono supportare una corrente continua a 2-C o forse a 3-C. Le celle ad alto drenaggio basate sull'ossido di cobalto supportano circa il doppio di quelle correnti, ma solo per pochi secondi. Le nuove celle ad alto drenaggio supportano 20 C in continuo.

Dato che una cella ad alta velocità di scarica può supportare scariche ad alta corrente in un periodo molto breve, in teoria un caricabatterie potrebbe caricare completamente quella cella in un tempo altrettanto breve. Ma per sfruttare questa possibilità, è necessario modificare il design del caricabatterie convenzionale. Per motivi di semplicità, queste modifiche possono essere illustrate con l'esempio di un caricabatterie a singolo alloggiamento che supporta un pacco batteria a cella singola.

Caratteristiche cellulari

In superficie, le celle agli ioni di litio a ricarica rapida sembrano semplici. Sembra che si possa semplicemente aumentare la corrente erogata durante la fase a corrente costante del ciclo di carica. Tuttavia, come mostrato nella tabella, il tempo di ricarica complessivo non viene significativamente ridotto quando la corrente viene aumentata da 1 ° C a velocità più elevate.

La differenza nel tempo di ricarica con un tasso di 2 C rispetto a un tasso di 3 C è solo di circa un minuto, indipendentemente dal fornitore della cella. In sostanza, le celle raggiungeranno il cutoff della tensione superiore più velocemente, ma il tempo nella modalità di carica a tensione costante sarà molto più lungo. Ovviamente, ciò aumenta il rischio di danni alla batteria a causa di sovratensione. La resistenza delle tradizionali celle agli ioni di litio le farà riscaldare di più durante le cariche più veloci, quindi le cellule inizieranno a rompersi. La ricarica rapida riduce significativamente il ciclo di vita della batteria.

La progettazione di una cella in grado di supportare velocità di scarica e carica elevate è uno sforzo per ridurre la lunghezza del percorso e la resistenza per il trasporto di ioni ed elettroni. La Fig. 1 mostra una sezione trasversale di una tipica cella cilindrica agli ioni di litio. Le modifiche iniziano con i materiali attivi della batteria. Le celle tradizionali agli ioni di litio sono basate su un composto catodico di ossido di litio-cobalto (LiCoO2). In questo materiale, gli ioni di litio, che si diffondono dentro e fuori dal catodo, possono essere inseriti solo attraverso percorsi 2D nella struttura cristallina.

La lunghezza del percorso può essere ridotta modificando la morfologia fisica del materiale attivo della batteria o cambiando la struttura chimica del materiale o facendo entrambe le cose. Un approccio per affrontare fisicamente il problema è quello di ridurre la dimensione delle particelle dei materiali su una scala nanometrica. Nuovi prodotti chimici come lo spinello al manganese (LiMn2O4) offrono percorsi 3D per l'inserimento di ioni.

Oltre a questi cambiamenti, la resistenza delle celle deve essere ridotta utilizzando materiali sottili, aumentando la quantità di collettori di corrente e aumentando la concentrazione di elettroliti e riducendo la sua viscosità con solventi. Molti di questi cambiamenti suggeriscono che le celle ai polimeri di litio, che possono essere molto sottili, si prestano per l'uso nella progettazione di alti tassi.

I produttori di celle agli ioni di litio hanno sperimentato le loro formulazioni al fine di implementare progetti specifici per applicazioni ad alta velocità. Alcuni produttori hanno escogitato soluzioni. E-One Moli Energy ha introdotto una cella ad alta velocità di scarica basata su un materiale catodico di spinello al manganese per utensili elettrici a batteria.

E 'facile fare una batteria agli ioni di litio sembrano essere ricaricata in meno di un'ora, nonostante in realtà non è. Dopo aver raggiunto la tensione di carica desiderata (prima linea verticale tratteggiata) la cella accetta ancora la corrente e può essere caricata ulteriormente. Se questo passaggio viene lasciato fuori, la cella apparirà completamente carica se misurata direttamente dopo la carica, ma la tensione diminuirà significativamente in seguito.

Alcuni caricabatterie di consumo a basso costo possono utilizzare il metodo semplificato "carica e avvia" che carica una batteria agli ioni di litio in un'ora o meno senza passare alla carica di saturazione Stage 2. Viene visualizzato il messaggio "Pronto" quando la batteria raggiunge la soglia di tensione allo stadio 1. Poiché lo stato di carica (SoC) a questo punto è solo dell'85% circa, l'utente può lamentarsi di un breve periodo di funzionamento, non sapendo che la colpa è del caricatore . Molte batterie di garanzia vengono sostituite per questo motivo e questo fenomeno è particolarmente comune nell'industria cellulare.

Per scoprire se questo è il caso con il tuo caricabatterie, misura la tensione e la corrente nel tempo durante la ricarica e confronta le tue misure con il diagramma sopra. Se si forniscono tali dati, dovrebbe essere chiaro cosa sta succedendo esattamente. Al momento non abbiamo dati se non quelli del caricatore, quindi ogni risposta sarà speculativa.

per maggiori informazioni vedi:

http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries

Mi capita di possedere un trapano elettrico / un driver che funziona con una batteria agli ioni di litio e viene spedito con un caricabatterie che lo carica completamente in 35 minuti e afferma di caricarlo al 70% in 15 minuti.

Secondo le risposte a questa domanda, la massima corrente di carica per le batterie agli ioni di litio è di circa 1 ° C che, tenendo conto delle perdite, significa che il tempo di ricarica dovrebbe essere di almeno più di un'ora. Ciò è coerente con la mia esperienza di utilizzo di altri dispositivi come i telefoni cellulari: impiegano circa 1,5 ore per caricarsi completamente.

Come è quindi possibile caricare una batteria agli ioni di litio in circa 35 minuti?

Ho scritto la lunga risposta alla domanda precedente.
La batteria del trapano e il caricabatterie probabilmente combinano molti degli aspetti che ho descritto lì che potrebbero consentire una ricarica rapida o apparentemente veloce .

Innanzitutto ho detto:

• Le batterie LiIon possono essere caricate in modo sicuro (sufficiente) alla velocità consigliata dai rispettivi produttori. Più veloce può essere possibile e può essere "sicuro", ma tutte le garanzie sono disattivate e la durata più breve o istantaneamente la durata molto breve sono opzioni definite.

e

• La specifica standard prevede una carica massima di 1 ° C.

Cioè, la pratica del settore è quella di caricare a 1 C massimo, ma i singoli produttori sono liberi di spingere i limiti. I problemi sono termici, meccanici e chimici (almeno). Come ho già detto, potrebbe verificarsi una durata della batteria inferiore.

Ho anche detto

• Ci sono nuovi prodotti chimici a base di litio e nuove disposizioni meccaniche che consentono alle celle a base di litio di essere caricate a velocità più elevate. Se il produttore dice che è così potrebbe essere. Ho visto celle LiIon apparentemente standard con valori di carica 2C ma la norma è 1C max. (vedi sopra)

Che è proprio quello che stai segnalando - è del tutto coerente con la risposta precedente - ma non è lo standard del settore e suggerisce che potresti ottenere una durata del ciclo breve o inferiore alla capacità prevista.

MA

Una delle ragioni principali potrebbe essere che il produttore estende la durata della cella classificando la cella a una capacità inferiore rispetto allo standard e non caricandola completamente. Se lo valutano a circa il 60% dell'attuale, allora:

Supponiamo che la capacità massima sia di 1 Ah per semplificare i calcoli. Qualsiasi capacità produce gli stessi risultati.

60% di capacità = 0,6 Ah.

Carica a 1C costante = 1A.

Tempo per raggiungere 0,6 C a 1 ° C = 0,6 ore = 40 minuti (rivendicato 35)

Tempo per raggiungere il 70% = 0,7 x 0,6 x 60 minuti = 25 minuti (richiesto 15)

Quindi lasciatevi sfidare e caricare a 1,6 ° C per i primi 15 minuti quando la capacità è bassa. A questo livello la tensione delta tra Vin e Vcell è minore e le perdite di calore sono inferiori. Se gestiamo il 70% della capacità in 15 minuti, dobbiamo aggiungere il 30% in (35-20) = 15 minuti. 15m è 15/35 = 43% del tempo di ricarica totale di 35 minuti, ma è necessario aggiungere solo il 30% della ricarica, quindi una tariffa inferiore a 1C è accettabile per la sua ultima parte.

In pratica è probabilmente usato un mix di quanto sopra

• Declassare la batteria per dire dal 75% all'80% della piena capacità possibile.

• Caricare a> 1 ° C per il primo 70% della corrente di riduzione della carica sotto il caricatore e non il controllo della batteria, quindi scende a meno di 1 ° C, cioè il 70% della capacità della batteria. La batteria viene quindi caricata duramente quando a bassa capacità e ad una velocità decrescente con il livello di carica e non viene mai riempita. Il risultato finale potrebbe essere una lunga durata del ciclo.

Oppure possono fare qualcosa di completamente diverso :-).

Un modo per ridurre i tempi di carica è migliorare la chimica delle cellule per ridurre l'ESR, ma ovviamente la corrispondenza delle cellule diventa critica con le correnti di shunt per normalizzare il trasferimento di potenza per cella. L'aumento della temperatura è un fattore di invecchiamento altamente accelerato. Ho capito che il mio Mac AIR ha solo una durata utile della batteria di 1000 ore, quindi uso il caricabatterie il più possibile e cerco di evitare un aumento eccessivo della temperatura.

Vai a comprare una batteria di ricambio.