Как да използвате батериите

В много отношения батерията се държи като човек. Тя усеща проявената доброта и изпълнява дадените грижи. Сякаш батерията има чувства и отвръща на оказаната добронамереност. Но има и изключения, както знае всеки родител, който отглежда семейство, и невинаги щедростта, която се проявява, носи очакваните ползи.

За да станете добър пазач, трябва да разбирате основните нужди на батерията - предмет, който не се изучава в училище. В този раздел ще научите какво да правите, когато батерията е нова, как да я захранвате с правилната "храна" и какво да правите, когато оставите батерията настрана за известно време. В глава 7 се разглеждат и ограниченията при пътуване с батерии по въздух и как да ги изхвърляме, когато полезният им живот изтече.

Точно както продължителността на живота на човек не може да се предвиди при раждането му, така и не можем да поставим дата на батерията. Някои батерии живеят до дълбока старост, докато други умират млади. Неправилното зареждане, тежките разрядни натоварвания и излагането на топлина са най-големите врагове на батерията. Въпреки че има начини за защита на батерията, идеалната ситуация не винаги е постижима. В тази глава е разгледано как да извлечем максимална полза от нашите батерии.

Зареждане на нова батерия
Не всички акумулаторни батерии осигуряват номиналния капацитет, когато са нови, и изискват форматиране. Макар че това се отнася за повечето акумулаторни системи, производителите на литиево-йонни батерии не са съгласни. Те твърдят, че литиево-йонните са готови още при раждането си и не се нуждаят от форматиране. Въпреки че това може да е вярно, потребителите съобщават за известно увеличаване на капацитета чрез циклично зареждане след дълго съхранение.

"Каква е разликата между форматиране и грундиране?" - питат хората. И двете се отнасят до капацитети, които не са оптимизирани и могат да бъдат подобрени с циклично движение. Форматирането завършва процеса на производство, който се случва естествено по време на употреба, когато батерията се циклизира. Типичен пример за това са батериите на оловна и никелова основа, които се подобряват с употребата до пълното им форматиране. Грундирането, от друга страна, е цикъл на кондициониране, който се прилага като услуга за подобряване на работата на батерията по време на употреба или след продължително съхранение. Първичното зареждане се отнася главно за батерии на никелова основа.

Оловна киселина
Форматирането на оловно-киселинна батерия става чрез прилагане на заряд, последван от разреждане и презареждане. Това се извършва в завода и се завършва на място като част от редовната употреба. Експертите съветват да не се натоварва новата батерия, като в началото й се правят тежки разряди, а постепенно да се тренира с умерени разряди, както спортистът тренира за вдигане на тежести или бягане на дълги разстояния. Това обаче може да не е възможно при стартерните акумулатори в автомобила и при други употреби. Оловната киселина обикновено достига пълния потенциал на капацитета си след 50 до 100 цикъла. Фигура 1 илюстрира продължителността на живота на оловната киселина.

Продължителност на живота на оловната киселина

Фигура 1: Продължителност на живота на оловните киселини
Новата оловно-киселинна батерия може да не е напълно форматирана и да постига пълна производителност едва след 50 или повече цикъла. Форматирането се извършва по време на употреба; не се препоръчва умишлено циклиране, тъй като това би довело до ненужно износване на батерията.

Когато са нови, батериите с дълбок цикъл са с капацитет около 85 %, а когато са напълно форматирани, той се увеличава до 100 % или почти до пълния капацитет. Съществуват някои отклонения, които достигат до 65% при тестване с анализатор на батерии. Задава се въпросът: "Ще се възстановят ли тези батерии с ниска производителност и ще издържат ли на по-силните си събратя, когато бъдат форматирани?". Един опитен експерт по батерии казва, че "тези батерии ще се подобрят донякъде, но те са първите, които ще се провалят".

Функцията на стартерния акумулатор се състои в осигуряването на високи токове на натоварване за запалване на двигателя и това свойство е налице от самото начало, без да е необходимо форматиране и зареждане. За изненада на много шофьори капацитетът на стартерния акумулатор може да намалее до 30 % и все още да запали двигателя; по-нататъшният спад обаче може да накара водача да остане в безизходица една сутрин. Вижте също BU-904: Как да измерваме капацитета)

На никелова основа
Производителите съветват батерията на никелова основа да се зарежда на струя в продължение на 16-24 часа, когато е нова и след дълго съхранение. Това дава възможност на клетките да се адаптират една към друга и да достигнат еднакво ниво на заряд. Бавното зареждане също така спомага за преразпределяне на електролита, за да се премахнат сухите петна по сепаратора, които може да са се образували от гравитацията.

Батериите на никелова основа не винаги са напълно форматирани, когато напускат завода. Прилагането на няколко цикъла на зареждане/разреждане при нормална употреба или с помощта на анализатор на батерии завършва процеса на форматиране. Броят на циклите, необходими за достигане на пълен капацитет, е различен при различните производители на клетки. Качествените клетки работят според спецификациите след 5-7 цикъла, докато при по-евтините алтернативи може да са необходими 50 или повече цикъла, за да се достигнат приемливи нива на капацитет.

Липсата на форматиране създава проблем, когато потребителят очаква новата батерия да работи с пълен капацитет още от опаковката. Организациите, които използват батерии за критични приложения, трябва да проверят производителността чрез цикъл на разреждане/зареждане като част от контрола на качеството. Програмата "prime" на автоматичните анализатори на батерии (Cadex) прилага толкова цикъла, колкото са необходими за постигане на пълен капацитет.

Цикличното движение възстановява и изгубения капацитет, когато батерията на никелова основа е била съхранявана в продължение на няколко месеца. Времето на съхранение, състоянието на заряда и температурата, при която се съхранява батерията, определят лекотата на възстановяване. Колкото по-дълго е съхранението и колкото по-висока е температурата, толкова повече цикли са необходими за възстановяване на пълния капацитет. Анализаторите на акумулатори помагат при функциите за зареждане и гарантират, че е постигнат желаният капацитет.

Литиево-йонни
Някои потребители на акумулатори настояват, че върху катода на литиево-йонната клетка след съхранение се образува пасивиращ слой. Известен още като междуфазов защитен филм (IPF), този слой се смята, че ограничава потока на йони, води до увеличаване на вътрешното съпротивление и в най-лошия случай води до литиево покритие. Известно е, че зареждането, и по-ефективно цикличното зареждане, разтваря слоя и някои потребители на батерии твърдят, че са получили допълнително време за работа след втория или третия цикъл на смартфона, макар и с малко.

Учените не разбират напълно естеството на този слой, а малкото публикувани източници по този въпрос само предполагат, че възстановяването на производителността при циклично движение е свързано с премахването на пасивиращия слой. Някои учени направо отричат съществуването на IPF, като твърдят, че идеята е силно спекулативна и не съответства на съществуващите изследвания. Какъвто и да е резултатът от пасивирането на литиево-йонните батерии, няма паралел с ефекта на "паметта" при NiCd батериите, които изискват периодично циклично зареждане, за да се предотврати загубата на капацитет. Симптомите може да изглеждат сходни, но механиката е различна. Ефектът не може да се сравни и със сулфатирането на оловно-киселинните батерии.

Добре познат слой, който се натрупва върху анода, е интерфейсът между твърдия електролит и твърдия електролит (SEI). SEI е електрическа изолация, но има достатъчна йонна проводимост, за да може батерията да функционира нормално. Въпреки че SEI слоят намалява капацитета, той също така предпазва батерията. Без SEI литиево-йонната батерия може да не постигне дълготрайността, която има. (Вижте BU-307: Как работи електролитът?)

Слоят SEI се образува в процеса на формиране и производителите полагат големи усилия това да стане правилно, тъй като пакетната работа може да доведе до трайна загуба на капацитет и повишаване на вътрешното съпротивление. Процесът включва няколко цикъла, зареждане с плаващи материали при повишени температури и периоди на почивка, които могат да отнемат много седмици. Този период на формиране също така осигурява контрол на качеството и помага при подбора на клетките, както и при наблюдението на саморазряда чрез измерване на напрежението на клетката след почивка. Високото ниво на саморазряд подсказва за наличие на примеси като част от потенциален производствен дефект.

Електролитното окисление (ЕО) се извършва и върху катода. Това води до постоянна загуба на капацитет и увеличава вътрешното съпротивление. Не съществува средство за отстраняване на веднъж образувания слой, но електролитните добавки намаляват въздействието. Поддържането на литиево-йонни батерии с напрежение над 4,10 V/клетка при повишена температура насърчава окисляването на електролита. Наблюденията на място показват, че комбинацията от топлина и високо напрежение може да натовари Li-ion повече, отколкото суровото циклично движение.

Литиево-йонните батерии са много чиста система, която не се нуждае от допълнително зареждане, след като напусне завода, нито пък от поддръжка, каквато се изисква за батериите на никелова основа. Допълнителното форматиране няма голямо значение, тъй като максималният капацитет е наличен от самото начало, (изключение може да бъде малко увеличение на капацитета след дълго съхранение). Пълното разреждане не подобрява капацитета, след като батерията е избледняла - ниският капацитет сигнализира за края на живота. Разрядът/зареждането може да калибрира "умната" батерия, но това не допринася почти нищо за подобряване на химическата батерия. (Вижте BU-601: Вътрешна работа на интелигентната батерия.) Инструкциите, препоръчващи зареждане на нова литиево-йонна батерия в продължение на 8 часа, се отписват като "стара школа", останала от времето на старите никелови батерии.

Непрезареждаем литий
Първичните литиеви батерии, като например литиево-йонилхлоридните (LTC), се възползват от пасивирането при съхранение. Пасивирането е тънък слой, който се образува в резултат на реакция между електролита, литиевия анод и катода на въглеродна основа. (Обърнете внимание, че анодът на първичната литиева батерия е литий, а катодът е графит, обратното на литиево-йонната батерия).

Без този слой повечето литиеви батерии не биха могли да функционират, тъй като литият би предизвикал бързо саморазреждане и бързо би разрушил батерията. Учените, занимаващи се с батерии, дори твърдят, че батерията би се взривила без образуването на слоеве от литиев хлорид и че пасивиращият слой е отговорен за съществуването на батерията и способността ѝ да се съхранява в продължение на 10 години.

Температурата и състоянието на заряда подпомагат натрупването на пасивиращия слой. Напълно заредена LTC се депасивира по-трудно след дълго съхранение, отколкото такава, която е била поддържана с нисък заряд. Въпреки че LTC трябва да се съхраняват при ниски температури, депасивирането протича по-добре, когато са топли, тъй като повишената топлопроводимост и подвижност на йоните помагат в процеса.

ВНИМАНИЕ Не прилагайте физическо напрежение или прекомерна топлина върху батерията. Експлозии, дължащи се на невнимателно боравене с нея, са причинили сериозни наранявания на работници.
Пасивиращият слой причинява забавяне на напрежението при първото натоварване на батерията, а фигура 2 илюстрира спада и възстановяването при батерии, засегнати от различни нива на пасивиране. Батерия А демонстрира минимален спад на напрежението, докато батерия С се нуждае от време, за да се възстанови.

Фигура 2: Поведение на напрежението при натоварване на пасивирана батерия [1]
Батерията A има слаба пасивация, възстановяването на батерията B отнема повече време, а батерията C е засегната най-много.
LTC в устройства с много нисък ток, като например сензор за пътна такса или измерване, може да развие пасивиращ слой, който може да доведе до неизправност, а топлината насърчава такъв растеж. Това често може да се реши чрез добавяне на голям кондензатор паралелно на батерията. Батерията, която е развила високо вътрешно съпротивление, все още е в състояние да зарежда кондензатора, за да осигури периодичните високи импулси; времето на готовност между тях се посвещава на презареждането на кондензатора.

За да се предотврати сулфатизацията по време на съхранение, някои литиеви батерии се доставят с резистор 36kΩ, който служи като паразитен товар. Постоянният нисък разряден ток не позволява на слоя да се разрасне твърде много, но това ще намали срока на съхранение. Счита се, че след 2-годишно съхранение с резистор 36kΩ батериите все още имат 90 % капацитет. Друго средство за защита е прикрепването на устройство, което прилага периодични разрядни импулси по време на съхранението.

Не всички първични литиеви батерии се възстановяват, когато се инсталират в устройство и когато се приложи натоварване. Токът може да е твърде слаб, за да се обърне пасивирането. Възможно е също така оборудването да отхвърли пасивираната батерия като батерия с ниско ниво на заряд или дефектна. Много от тези батерии могат да бъдат подготвени с помощта на анализатор на батерии (Cadex) чрез прилагане на контролиран товар. След това анализаторът проверява правилното функциониране, преди батерията да бъде използвана в полеви условия.

Необходимият разряден ток за депасивиране е C-rate от 1С до 3С (1 до 3 пъти номиналния капацитет). Напрежението на клетката трябва да се възстанови до 3,2 V при прилагане на товара; времето за работа обикновено е 20 секунди. Процесът може да се повтори, но не трябва да отнема повече от 5 минути. При натоварване от 1С напрежението на правилно функционираща клетка трябва да остане над 3,0 V. Спадането на напрежението под 2,7 V означава край на експлоатационния срок. (Вж. BU-106: Първични батерии)

Тези литиево-метални батерии са с високо съдържание на литий и трябва да спазват по-строги изисквания за транспортиране, отколкото литиево-йонните батерии със същия Ah. (Вижте BU-704a: Транспортиране на батерии на литиева основа по въздуха) Поради високата специфична енергия трябва да се внимава особено при работа с тези клетки.