Expertizarea Unei Baterii de Acumulatori de Tipul Li Ion Utilizate In Calculatoare Portabile

Lucrare de disertație

Expertizarea unei baterii de acumulatori de tipul Li-ion utilizate în calculatoare portabile

Capitolul 1

Introducere

Acumulatoarele sunt surse de curent importante ca și tehnologie pentru sistemele viitoare de energie. Astăzi de la un accumulator i se cere sa aibă tensiune ridicată, capacitate electric mare, rezistentă internă scăzută și conductivitate electrică ridicată.

Bateriile și acumulatoarele convertesc energia chimică stocată în speciile electroactive ale electrozilor în energie electrică și invers. Transformările sunt realizate cu reacțiile electrochimice de redox, acest schimb de electroni are loc la interfața electrod/electrolit. La anodul bateriei are loc reacția de oxidare – cedare de electroni, iar la catod reacția de reducere – acceptare de electroni. Electronii cedați în reacția de oxidare se deplasează prin circuitul exterior, generând în acest fel un curent electric. Circulația sarcinilor electrice în circuit este completată de deplasarea ionilor în electrolitul situat între cei doi electrozi ai bateriei.

Bateriile au fost dezvoltate pornind de la prima pilă primară, pila Volta (anul 1800) și ajungând la pile secundare de tipul nichel metalhidrură (NiMH) (1990), litiu-ion (Li-ion) (1991) și istoria se scrie în continuare prin îmbunătățirea continuă a surselor electrochimice de energie datorită cerințelor legate de alimentarea dispozitivelor portabile, care sunt din ce în ce mai complexe și necesită densități de energie mari, până la problemele legate de protecția mediului.

O clasificare a bateriilor se se poate face din punct de vedere al reversibilității reacțiilor în baterii primare și baterii secundare. Bateriile primare au reacțiile la electrozi ireversibile, deci ele nu pot fi reîncărcate spre deosebire de bateriile secundare care sunt reîncărcabile. Exemple de baterii primare sunt: zinc-carbon (Leclanche sau zinc – dioxid de mangan), alcaline, zinc-aer etc.. Exemple de baterii secundare: plumb – acid, NiCd, NiMH, Li-ion, Li-ion-polimer.

Forma acumulatoarelor este diferită în funcție de tip și de aplicații: cilindrice, prismatice, tip „pastilă”, pentru curenți mari, pentru temperaturi înalte, de capacitate ridicată, cu încărcare rapidă, diferitele tipuri fiind obținute prin modificarea materialului electrozilor sau a electrolitului.

Câteva caracteristici de bază ale unor tipuri de baterii secundare sunt prezentate în Tabelul 1.

Tabelul 1 Caracteristici ale unor pile secundare [ Referință]

Acumulatoarele de tip Li-ion

Ion Batteries: Advances and Applications, 2014, Elsevier, pp. 553

Acumulatorii Li-Ion sunt mici, ușori și puternici, au o rată scăzută a auto-descărcării și o gestionare simplă a încărcării. Primele celule de Litiu au fost vândute prima dată în 1970. Vânzarea la scară mare a fost posibilă abia când Litiu metalic a fost înlocuit cu Litiu-Cobalt-Oxid (LiCoO2). Vânzarea primului acumulator Li-Ion reîncărcabil a fost făcută de către compania Sony în 1991.

Acumulatorii Li-Ion sunt reprezentați sub formă de elemente singulare sau sub formă de „pachete de acumulatori” folosite la dispozitivele mobile. Acumulatorii Li-Ion și încărcarea acestora de Jaroslav Belza

Bateriile comerciale Li-ion au fost mult folosite de NASA pentru a oferi energie și putere portabile pentru aplicații în spațiu din 1998. Capacitatea celulelor comerciale Li-ion a crescut în ultimii 15 ani. De exemplu un acumulator Li-ion 18650 a fost disponibil cu o capacitate de 1 Ah în anii 90 în timp ce în acest moment poate fi găsit cu o capacitate de 3,1 Ah cu aceeași construcție a celulei.

Un alt factor care a fost îmbunătățit în ultimii ani este capacitatea de descărcare a acumulatoarelor Li-ion. Până în anul 2000 celulele Li-ion erau capabile să se descarce doar la viteze medii (1C), dar cu îmbunătățirea designului, materialelor electrozilor și compoziției electrolitului celule capabile de viteze ridicate au devenit disponibile pe piață.

Structura unei baterii cu Litiu

Diagnosticarea performanțelor și funcționării

Justin Salminen, Tanja Kallio, Noshin Omar,Peter Van den Bossche, Joeri Van Mierlo and Hamid Gualous, Transport Energy _ Lithium Ion Batteries, in Future Energy, Elsevier 2014, pp. 291

Testarea acumulatoarelor a devenit foarte importantă deoarece pe acestea se bazează din ce în ce mai multe aparate pornind de la dispozitive mobile până la noile dispozitive biomedicale. Testarea acestor baterii trebuie să fie completă și corectă în scopul funcționării corecte a dispozitivelor și pentru evitarea unor posibile incidente. În plus sistemele de testare trebuie să fie suficient de flexibile pentru a se adapta modelelor în schimbare și a evoluției sistemelor de hardware.

Circuitele de siguranță

Bateriile Li-ion au nevoie de circuit de protecție pentru a nu se supraîncărca sau descărca foarte mult., pentru că nu au un mecanism de autoreglare, având astfel nevoie de un sistem extern ca un bypass atasat la un microcip. Când o celulă se încarcă sau se descarcă înaintea altora, intră în funcțiune bypass-ul, oprind alimentarea acesteia pana ce se va stabili iar echilibrul intre ele. Pentru a se verifica cât de încărcată este o celulă putem măsura tensiunea acesteia, deoarece exista o strânsă legătură între tensiunea bateriei de mers în gol și starea de încărcare.

Acest bypass asigură activarea sau dezactivarea circuitului de protecție atunci când una din celule este încărcată sau descărcată de tot, în acest fel se împiedică distrugerea celulelor. Acest sistem de protecție ajuta și la răcirea bateriei, monitorizând temperatura acesteia

Caracteristicile de încărcare

Cele mai obișnuite tipuri de acumulatoare folosite în dispozitivele noi sunt Li-Ion, Ni-Cd și Ni-MH, deși există și alte tipuri. Acumulatorii Li-Ion se pot alimenta de la o sursă standard, dar trebuie sa limiteze curentul de încărcare.

Curba de descărcare standard a acumulatorului Li-Ion

Există două tipuri de acumulatoare Li-Ion, în funcție de materialul din care este alcătuit electrodul negativ (anodul acumulatorului). În ambele cazuri, acesta este din carbon.

Din cocs

Din grafit.

Acești acumulatori prezintă curbe de descărcare diferite ca formă (a se vedea Figura ”Profunzimea descărcării”), tensiunea de încărcare și tensiunea la care este necesară încetarea descărcării fiind diferită și ea. Datele de bază sunt prezentate în Tabelul 1.

Putem observa că, atât acumulatorii cu anod de grafit cât și cei cu anod din cocs au tehnologia de încărcare modificată și tensiuna de 4,2 V și respectiv 2,5 V. S-a realizat un progres în ceea ce privește gestionarea descărcării pentru acumulatorii Litiu- Polimer, aceștia oferă o densitate de energie mai mare pe fiecare element. Pentru a nu se degrada rapid, aceste elemente permit doar un număr relativ mic de cicluri de încărcare. O comparație aproximativă între acumulatorii Li-Ion, NiCd, NiMH, Plumb- Acid fără întreținere (cu gel), și Alcalini, se găsește în Tabelul 2.

Pachetele de acumulatori sunt echipate cu un circuit de protecție care previne distrugerea sau chiar explozia acestora dacă sunt utilizate incorect sau dacă se defectează alimentatorul sau încărcătorul.

Circuitul de protecție monitorizează de obicei tensiunea minimă și maximă pe fiecare celulă, minimul și maxim încărcării și descărcării gestionând în același timp și curentul de încărcare. Dacă este depășit intervalul maxim de curent sau de tensiune, circuitul deconectează elementul sau elemenții pachetului de acumulatori.

Câteva exemple de circuite de protecție sunt prezentate în figurile 2, 3 și 4. Pentru aceste conexiuni, este clar că terminalele pachetului de acumulatori sunt conectate direct la element. Circuitul de protecție preia de la fiecare element un curent constant de ordinul zecilor de microamperi.

De asemenea, pachetele de acumulatori sunt echipate cu un termistor (sau mai mulți) care informează încărcătorul despre temperatura acumulatorilor și/sau a interiorului întregului pachet.

Figura 2. Circuitul de protecție SAA1502 (Philips)

Figura 3. Circuitul de protecție RV5VG1 (Ricoh)

Figura 4. Circuitul de protecție DS2760 (Dallas Semiconductor)

Încărcarea acumulatorilor Li-Ion

S-a constatat că o tensiune mai mică, sau una în exces, va scurta semnificativ durata de viață a elementului, acesta încărcat cu o tensiune sub cea recomandată de producător nu va duce elementul la capacitatea maximă de încărcare. Tensiunea finală de încărcare, în funcție de tipul elementului, este de 4,1 sau 4,2 Volți, și ar trebui să fie stabilită cu o precizie de ± 1%.

De asemenea, și curentul de încărcare trebuie să fie respectat cu strictețe. În cazul în care acest curent este mai mic, se va prelungi timp necesar încărcării. Curentul maxim de încărcare recomandat de producătorii de acumulatori este de 0,1 – 2C.

Unitatea C reprezintă capacitatea nominală a elementului acumulator. În cazul în care avem un element acumulator cu capacitatea nominală de 900 mAh și îi este permis un curent de încărcare de 0,5C, îl putem încărca cu un curent de până la 450 mA.

Figura 5. Tensiunea și curentul de încărcare pentru acumulatorul Li-Ion.

Figura 9. Încărcător realizat cu circuitul LTC1732

Circuitul ADP3820 din Figura 8 este prevăzut pentru încărcarea cu limitarea curentului. Circuitul LTC1732 din Figura 9 este prevăzut suplimentar cu formatarea elementelor profund descărcate prin debitarea unui curent de aproximativ 10 ori mai mic decât curentul de încărcare maximă.

Există foarte multe circuite pentru încărcarea acumulatorilor Li-Ion. Am ales aici câteva scheme simple pentru exemplificare. Date detaliate despre cele de mai sus și despre alte circuite, pot fi obținute cu ușurință de pe Internet.

Diagramă schematică care reprezintă nivelul celular de siguranța în celule Li-ion pentru aplicațiile electronice de larg consum.

Bateriile de tip Li-ion necesită un alt algoritm de încărcare decât bateriile pe bază de Ni, ele nu pot furniza curenți mari. Descărcarea excesivă a acestor baterii conduce la scăderea duratei lor de viață. În absența unei protecții suplimentare, supraîncărcarea lor poate da naștere la situații periculoase care pot conduce la explozii sau aprinderi ale bateriilor.

Deci supraîncărcarea sau descărcarea excesivă a acestor baterii este interzisă și în același timp trebuie să existe un control strict ale proceselor de încărcarea și descărcare a acestui tip de baterii atât pentru prelungirea duratei lor de viață (cicluri încărcare-descărcare) cât mai ales pentru siguranța exploatării lor. Acest lucru presupune existența unor circuite electronice care să realizeze funcțiile de monitorizare și control.

O nouă etapă în evoluția acumulatoarelor sunt cele Li-ion-polimer (apărute pe piață în anul 1997).

Diferența de bază dintre aceste tipuri de baterii si cele de tip Li-ion se referă la tipul electrolitului care în acest din urmă caz este format dintr-un polimer care servește și ca separator. Conductivitatea electrică a acestui tip de material este mai scăzută decât a electrolitului organic lichid și, de aceea, electrolitul din polimer trebuie să fie foarte subțire pentru a avea o conductivitate electrică rezonabilă. Din cauză că electroliții trebuie să fie foarte subțiri, bateria este mai vulnerabilă la solicitări mecanice, dar electroliții de polimer fiind mai puțin reactivi față de litiu decât cei lichizi, acesta este un lucru benefic pentru siguranța în exploatare a bateriei. Utilizarea acestor tipuri de electroliți oferă și posibilitatea unei producții mai ușoare, mai rapide, bateriile Li-ion-polimer putând fi configurate în diverse forme.

O metodă uzuală de compararea performanțele diferitelor soluții de stocare a energiei este cea a utilizării diagramei Ragone. care arată dependența densității masice de energie [Wh/kg] în raport cu densitatea volumică de energie [Wh/m3 ] pentru câteva tehnologii de stocare a energiei.

Îmbătrânirea bateriei

Bateriile de diferite tipuri se comportă diferit în timpul procesului de îmbătrânire. Înțelegerea procesului de îmbătrânire al bateriilor se poate deduce din înțelegerea principiilor fundamentale de funcționare a bateriilor.

Procesul de îmbătrânire depinde de asemenea de tipul de aplicație în care este utilizată bateria. Aplicații diferite prezintă caracteristici de utilizare diferite ale bateriilor.

Principiul de funcționare al bateriilor de tip Li-ion se bazează pe faptul că ionii de litiu se mișcă înainte și înapoi și nu există mișcări ale materiei în interiorul soluției. Îmbătrânirea bateriei apare datorită unuia sau mai multor din procesele următoare:

– tensiuni în materialul electrodului ca rezultat al expansiunii/contracției cauzată de intercalarea de ioni de litiu în timpul încărcării/descărcării bateriei;

– creșterii grosimii interfeței solid – electrolit (SEI) și consumului de ioni de litiu pentru că interfața solid – electrolit se deteriorează când este străbătută de ionii de litiu. Interfața solid-electrolit crește la loc instantaneu dar iși mărește grosimea la poziția la care s-a produs deteriorarea. O interfață de grosime mai mare duce la performanțe scăzute. Capacitatea aparentă a bateriei scade datorită creșterii impedanței și acest proces poate fi mult mai important decât descreșterea capacității bateriei datorită consumului de litiu, în special în aplicațiile de mare putere.

– moleculele solventului se pot "co-intercala" împreună cu ionii de litiu în structura gazdă și ca urmare pot deteriora structura suprafeței, împiedicând intercalarea altor ioni de litiu. Aceasta va duce la reducerea capacității bateriei asemănătoare cu cea produsă de procesul de descreștere a suprafeței active a electrozilor.

– decompoziția electrolitului;

– depunerea litiului și formarea de interfață solid-electrolit la electrodul negativ spre sfârșitul procesului de încărcare a bateriei;

Longevitatea bateriilor mici de tip Li-ion utilizate în aplicațiile portabile nu a fost, până acum, o preocupare pentru firmele producătoare spre deosebire de bateriile mari pentru care procesul de îmbătrânire și durata lor de viață reprezintă probleme importante. Spre deosebire de bateriile cu plumb pentru care este relativ cunoscută durata de funcționare pentru diverse aplicații, procesul de îmbătrânire la bateriile de tip Li-ion este încă mai puțin studiat. Variantele de celule se schimbă mai repede decât pot fi efectuate testele. Nu există o "ecuație" generică pentru descrierea procesului de îmbătrânire sau a duratei de viață a bateriei și care să ia în considerare toate condițiile de exploatare și cerințele aplicației.

Unele tipuri de baterii suferă de "moarte subită" când ajung la sfârșitul perioadei de viață. Bateriile cu plumb, de exemplu, pot suferi un scurtcircuit intern după o anumită perioadă de funcționare și funcționarea lor poate subit să se oprească. Celulele de tip Li-ion sunt supuse unui proces de îmbătrânire monoton și predictibil. Capacitatea bateriei și performanțele ei descresc treptat de-a lungul ciclurilor de funcționare.

Din reprezentarea capacității de descărcare a unei baterii de tipul Li-ion în funcție de numărul de cicluri încărcare/descărcare se poate observa un punct pe curba de variație a capacității în care viteza de degradare a bateriei crește. Poziția acestui punct variază în funcție de tipul bateriei și de condițiile de funcționare.

Fig. Capacitatea de descărcare a unei baterii de tip Li-ion [1.6]

O altă problemă apărută în timpul testelor de descărcare a bateriilor Li-ion este aceea a autoîncălzirii acestora pe durata descărcării [5.5]. Datorită reacțiilor electrochimice care au loc în interiorul acestora pe durata descărcării, bateriile se încălzesc.

Rezultate experimentale

În această parte a lucrării sunt prezentate rezultatele studiilor realizate pe un acumulator Li-ion, un acumulator care este utilizat și în prezent pe scară largă la calculatoarele portabile și ca atare. Am efectuat încărcarea și descărcarea acumulatorului Li-ion

Trasarea curbei de polarizare

Rezultate și discuții

În această parte a lucrării sunt prezentate rezultatele studiilor realizate pe un acumulator Li-ion, un acumulator care este utilizat și în prezent pe scară largă la calculatoarele portabile. Am efectuat încărcarea și descărcarea acumulatorului Li-ion.

Trasarea curbei de polarizare

Montajul folosit este

Încărcătorul PRO-PEAK Prodigy II

Curentul optim Ioptim, curentul la valoarea maximă a puterii modulului de acumulatoare, ne dă o indicație referitoare la modulul care este cel mai slab.

Tabel

Unde

Măsurarea tensiunii electromotoare în timp

La evaluarea tensiunii electromotoare în timp, variația acesteia a fost neglijabilă (sub 0,1 %), ceea ce arată că procesele de îmbătrânire nu au drept cauze coroziuni localizate de tip galvanic (coroziune la contact) și nici reacții secundare datorate impurităților din electrolți și materialul activ de electrozi, ci sunt mai degrabă cauzate de creșterea instabilității complecșilor Li-Co incluși în structura grafitată.

Acest lucru este confirmat și de faptul că după o sesiune de încărcare completă t.e.m. nu se menține la valoarea 4,1 V caracteristică și scade la 3,89 V confirmând de fapt o scădere a concentrației complecșilor activi Li-Co.

Tensiunea de descărcare / încărcare (Vd / Vî)

Capacitatea de descărcare / încărcare (Qd / Qî)

Autodescărcarea (C) exprimă pierderea de capacitate a surselor chimice de curent în circuit deschis, atunci când pila este depozitată sau neutilizată.

Q1 reprezintă capacitatea sursei la un regim continuu de funcționare,

Q2 este capacitate sursei după un interval de timp de conservare, τ.

Energia de descărcare / de încărcare (Wd / Wî)

Energiile specifice (capacitățile specifice)

Realizarea ciclurilor încărcare–descărcare

Încărcătorul PRO-PEAK Prodigy II

Acest lucru este confirmat și de faptul că după o sesiune de încărcare completă tensiunea electromotoare nu se menține la valoarea 4,1 V caracteristică și scade la 3,89 V confirmând de fapt o scădere a concentrației complecșilor activi Li-Co.

Deoarece acumulatoarele sunt legate în serie, modulul cu valoare minimă a capacității determină întreruperea circuitului.

Concluzii

În urma experiențelor efectuate și a procesării datelor se pot extrage următoarele concluzii:

Bateria de acumulatori are capacitatea medie de circa 85% din capacitatea initiala.

Având în vedere această scădere de capacitate bateria mai poate fi folosită dar se recomandă recondiționarea bateriei pentru a fi adusă la parametrii cât mai apropiați de parametrii inițiali.

Identificarea modulului cel mai uzat, s-a realizat prin procedura de expertizare a capacității utile a raportului dintre Ioptim derivată din graficul puterii optime.

Se recomandă ca recondiționarea să se facă prin înlocuirea modulului cu unul de proveniență identică (de la același producător), în caz contrar există riscul distrugerii accelerate ale modulelor.

Se atrage atenția că trebuie avute în vedere nu numai compatibilitatea electrochimică (același tip de acumulator) și caracteristicile electrice (aceeași temperatură, rezistență), ci și identitatea dimensională, în caz contrar carcasa bateriei de acumulatori riscând să nu se mai închidă.

Bibliografie

T. Georgi-Maschlera, B. Friedricha, R. Weyheb, H. Heegnc, M. Rutzc Journal of Power Sources 207 (2012) 173– 182

So Miyatake , Yoshihiko Susuki, Takashi Hikihara, Syuichi Itoh b, Kenichi Tanaka, Journal of Power Sources 241 (2013) 736e743

Hongwen He*, Xiaowei Zhang, Rui Xiong, Yongli Xu, Hongqiang Guo, Energy 39 (2012) 310-318

Languang Lu, Xuebing Han, Jianqiu Li, Jianfeng Hua, Minggao Ouyang, Journal of Power Sources 226 (2013) 272e288

Bibliografie

T. Georgi-Maschlera, B. Friedricha, R. Weyheb, H. Heegnc, M. Rutzc Journal of Power Sources 207 (2012) 173– 182

So Miyatake , Yoshihiko Susuki, Takashi Hikihara, Syuichi Itoh b, Kenichi Tanaka, Journal of Power Sources 241 (2013) 736e743

Hongwen He*, Xiaowei Zhang, Rui Xiong, Yongli Xu, Hongqiang Guo, Energy 39 (2012) 310-318

Languang Lu, Xuebing Han, Jianqiu Li, Jianfeng Hua, Minggao Ouyang, Journal of Power Sources 226 (2013) 272e288