Wie ist es möglich, einen Li-Ionen-Akku in 35 Minuten vollständig aufzuladen?

Wie ist es möglich? Jeder Hersteller von Li-Batterien unter der Sonne möchte schnell aufladbare Batterien entwickeln, daher ist dies ein heißes Forschungsthema.

Dieser Artikel aus dem Jahr 2007 bringt etwas Licht in das Thema Innenleben von schnellladenden LiIon-Zellen:

Es gibt keine Standarddefinition für Zellen mit hoher Entladerate, aber grundlegende Konstruktionsrichtlinien schreiben vor, dass Standardzellen auf Kobaltoxidbasis einen 2-C- oder vielleicht einen 3-C-Rate-Dauerstrom unterstützen können. Auf Kobaltoxid basierende High-Drain-Zellen unterstützen ungefähr das Doppelte dieser Ströme, aber nur für Sekunden. Die neuen High-Drain-Zellen unterstützen 20 C kontinuierlich.

Da eine Zelle mit hoher Entladerate Entladungen mit hohem Strom über einen sehr kurzen Zeitraum aushalten kann, könnte ein Batterieladegerät diese Zelle theoretisch in einer ebenso kurzen Zeit vollständig aufladen. Aber um diese Möglichkeit auszunutzen, muss das herkömmliche Batterieladegerät modifiziert werden. Der Einfachheit halber können diese Änderungen am Beispiel eines Einzelladegeräts veranschaulicht werden, das einen einzelligen Akkupack unterstützt.

Zelleigenschaften

Oberflächlich betrachtet scheinen schnell aufladbare Li-Ion-Zellen einfach zu sein. Es scheint, dass man den während der Konstantstromphase des Ladezyklus gelieferten Strom einfach erhöhen könnte. Jedoch wird, wie in der Tabelle gezeigt, die Gesamtladezeit nicht signifikant verkürzt, wenn der Strom von 1 C auf höhere Raten erhöht wird.

Der Unterschied in der Ladezeit mit einem 2-C-Tarif gegenüber einem 3-C-Tarif beträgt nur etwa eine Minute, unabhängig vom Zellenanbieter. Im Wesentlichen erreichen die Zellen die obere Grenzspannung nur schneller, aber die Zeit im Lademodus mit konstanter Spannung ist viel länger. Offensichtlich erhöht dies das Potenzial für Schäden an der Batterie aufgrund von Überspannung. Der Widerstand herkömmlicher Lithium-Ionen-Zellen führt dazu, dass sie sich bei schnelleren Ladevorgängen stärker erwärmen, sodass die Zellen beginnen, zusammenzubrechen. Schnellladen verkürzt die Batterielebensdauer erheblich.

Das Entwerfen einer Zelle, die hohe Entladungs- und hohe Laderaten aufnehmen kann, ist ein Versuch, die Weglänge und den Widerstand für den Transport von Ionen und Elektronen zu reduzieren. Abb. 1 zeigt einen Querschnitt einer typischen zylindrischen Lithium-Ionen-Zelle. Veränderungen beginnen bei den Aktivmaterialien der Batterie. Herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen basieren auf einer Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2)-Kathodenverbindung. In diesem Material können Li-Ionen, die in die Kathode ein- und ausdiffundieren, nur durch 2-D-Pfade in der Kristallstruktur eingefügt werden.

Die Weglänge kann verkürzt werden, indem die physikalische Morphologie des aktiven Materials der Batterie oder die chemische Struktur des Materials oder beides geändert wird. Ein Ansatz, um das Problem physikalisch anzugehen, besteht darin, die Partikelgröße der Materialien auf eine Größe bis in den Nanobereich zu verringern. Neue Chemien wie Manganspinell (LiMn2O4) bieten 3-D-Wege für die Ioneninsertion.

Zusätzlich zu diesen Änderungen muss der Widerstand der Zellen verringert werden, indem dünne Materialien verwendet werden, die Anzahl der Stromkollektoren erhöht wird und die Elektrolytkonzentration erhöht und seine Viskosität mit Lösungsmitteln verringert wird. Viele dieser Änderungen deuten darauf hin, dass Li-Polymer-Zellen, die sehr dünn sein können, sich für die Verwendung bei der Konstruktion für hohe Raten eignen.

Hersteller von Lithium-Ionen-Zellen haben mit ihren Formulierungen experimentiert, um Designs zu implementieren, die für Anwendungen mit hoher Rate spezifisch sind. Einige Hersteller haben Lösungen entwickelt. E-One Moli Energy stellte eine Zelle mit hoher Entladungsrate auf Basis eines Mangan-Spinell-Kathodenmaterials für kabellose Elektrowerkzeuge vor.

Es ist leicht, einen Li-Ion-Akku so aussehen zu lassen, als wäre er in weniger als einer Stunde aufgeladen, obwohl dies in Wirklichkeit nicht der Fall ist. Nach Erreichen der gewünschten Ladespannung (erste gestrichelte vertikale Linie) nimmt die Zelle noch Strom auf und kann weiter geladen werden. Wenn dieser Schritt ausgelassen wird, erscheint die Zelle direkt nach dem Laden als voll geladen, aber die Spannung fällt später deutlich ab.

Einige kostengünstigere Verbraucherladegeräte verwenden möglicherweise die vereinfachte „Charge-and-Run“-Methode, die einen Lithium-Ionen-Akku in einer Stunde oder weniger auflädt, ohne in die Sättigungsladung der Stufe 2 zu wechseln. „Ready“ erscheint, wenn der Akku bei Stufe 1 die Spannungsschwelle erreicht. Da der State-of-Charge (SoC) zu diesem Zeitpunkt nur etwa 85 Prozent beträgt, kann der Nutzer über kurze Laufzeiten klagen, ohne zu wissen, dass das Ladegerät schuld ist . Viele Garantiebatterien werden aus diesem Grund ersetzt, und dieses Phänomen tritt besonders häufig in der Mobilfunkindustrie auf.

Um herauszufinden, ob dies bei Ihrem Ladegerät der Fall ist, messen Sie die Spannung und den Strom über die Zeit während des Ladevorgangs und vergleichen Sie Ihre Messungen mit dem Diagramm oben. Wenn Sie diese Daten angeben, sollte klar sein, was genau vor sich geht. Derzeit haben wir keine Daten außer den Behauptungen des Ladegeräts, daher wird jede Antwort spekulativ sein.

Weitere Informationen finden Sie unter:

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

Ich besitze zufällig einen Bohrschrauber, der mit einem Li-Ion-Akku betrieben wird und mit einem Ladegerät geliefert wird, das ihn in 35 Minuten vollständig auflädt und behauptet, ihn in 15 Minuten auf 70 % aufzuladen.

Laut Antworten auf diese Frage beträgt der höchste Ladestrom für Li-Ion-Akkus etwa 1 C, was unter Berücksichtigung der Verluste bedeutet, dass die Ladezeit mindestens mehr als eine Stunde betragen sollte. Dies stimmt mit meiner Erfahrung mit anderen Geräten wie Mobiltelefonen überein - es dauert etwa 1,5 Stunden, bis sie vollständig aufgeladen sind.

Wie ist es dann möglich, einen Li-Ion-Akku in etwa 35 Minuten aufzuladen?

Ich habe die lange Antwort auf die vorherige Frage geschrieben.
Ihr Bohrerakku und Ihr Ladegerät vereinen möglicherweise mehrere der dort beschriebenen Aspekte, die ein schnelles oder scheinbar schnelles Aufladen ermöglichen könnten.

Zuerst sagte ich:

• LiIon-Akkus können mit der von ihren Herstellern empfohlenen Rate sicher (ausreichend) geladen werden. Schneller ist möglich und kann "sicher" sein, aber alle Garantien sind aus und eine kürzere Lebensdauer oder eine augenblicklich sehr kurze Lebensdauer sind definitive Optionen.

und

• Die Standardspezifikation ist eine maximale Ladung von 1C.

Das heißt, die Branchenpraxis besteht darin, mit maximal 1C zu laden, ABER einzelnen Herstellern steht es frei, die Grenzen zu überschreiten. Probleme sind thermische, mechanische und chemische (zumindest). Wie ich schon sagte - eine geringere Batterielebensdauer kann die Folge sein.

sagte ich auch

• Es gibt neue chemische Zusammensetzungen auf Lithiumbasis und neue mechanische Anordnungen, die es ermöglichen, Zellen auf Lithiumbasis schneller aufzuladen. Wenn der Hersteller sagt, dass es so ist, kann es tatsächlich so sein. Ich habe anscheinend Standard-LiIon-Zellen mit 2C-Ladewerten gesehen, aber die Norm ist 1C max. (siehe oben)

Genau das, was Sie melden - es stimmt völlig mit der vorherigen Antwort überein - ist einfach kein Industriestandard und deutet darauf hin, dass Sie möglicherweise eine kurze Lebensdauer oder eine niedrigere als erwartete Kapazität erhalten.

SONDERN

Ein Hauptgrund kann sein, dass der Hersteller tatsächlich die Lebensdauer der Zelle verlängert, indem er die Zelle mit einer niedrigeren Kapazität als dem Standard bewertet und sie nicht vollständig auflädt. Wenn sie es mit etwa 60 % des Istwerts bewerten, dann:

Angenommen, die volle Kapazität beträgt 1 Ah, um die Berechnungen zu vereinfachen. Jede Kapazität führt zu den gleichen Ergebnissen.

60 % Kapazität = 0,6 Ah.

Laden Sie konstant 1C = 1A.

Zeit zum Erreichen von 0,6 °C bei einer Rate von 1 °C = 0,6 Stunden = 40 Minuten (beansprucht 35)

Zeit zum Erreichen von 70 % = 0,7 x 0,6 x 60 Minuten = 25 Minuten (behauptet 15)

Lassen Sie uns also mutig sein und bei geringer Kapazität in den ersten 15 Minuten bei 1,6 °C aufladen. Auf diesem Niveau ist die Delta-Spannung zwischen Vin und Vcell kleiner und die Wärmeverluste sind geringer. Wenn wir 70 % Kapazität in 15 Minuten schaffen, müssen wir 30 % in (35-20) = 15 Minuten hinzufügen. 15 Minuten sind 15/35 = 43 % der gesamten Ladezeit von 35 Minuten, aber wir müssen nur 30 % der Ladung hinzufügen, sodass eine Rate unter 1 C für seinen letzten Teil akzeptabel ist.

In der Praxis wird wahrscheinlich eine Mischung aus den oben genannten verwendet

• Reduzieren Sie den Akku auf etwa 75 % bis 80 % der vollen möglichen Kapazität.

• Laden Sie die ersten 70 % des Ladestroms bei > 1 C auf, wobei der Strom unter Ladegerät und nicht unter Batteriesteuerung verringert wird, sodass er bei beispielsweise 70 % der Batteriekapazität auf unter 1 C abfällt. Die Batterie wird daher bei geringer Kapazität und mit abnehmender Geschwindigkeit mit dem Ladezustand stark geladen und nie gefüllt. Das Endergebnis kann durchaus eine verlängerte Lebensdauer sein.

Oder sie machen etwas ganz anderes :-).

Eine Möglichkeit, die Ladezeit zu reduzieren, besteht darin, die Zellchemie zu verbessern, um den ESR zu reduzieren, aber natürlich wird die Zellanpassung bei Shunt-Strömen kritisch, um die Leistungsübertragung pro Zelle zu normalisieren. Der Temperaturanstieg ist ein stark beschleunigter Alterungsfaktor. Ich habe herausgefunden, dass mein Mac AIR nur eine nutzbare Akkulaufzeit von 1000 Stunden hat, also benutze ich das Ladegerät so oft wie möglich und versuche, einen übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden.

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