Технический прогресс и экономика (стр. 3 )

11. , , // Электрохимия, 2008, Т. 44. С. 1069–1078.

12. Libao Chen, Ke Wang, Xiaohua Xie, Jingying Xie // J. Power Sources. 2007. V. 174. P. 538–543.

13. J. Graetz, C. C. Ahn, R. Yazami, and B. Fultz. // Electrochem. Solid-State Lett. 2003 V. 6 P. A194–A197.

14. Nam-Soon Choi, Kyoung Han Yew, Kyu Youl Lee, Minseok Sung, Ho Kim, Sung-Soo Kim // Journal of Power Sources. 2006. V. 161. P. 1254–1259.

15. , // Электрохимия. 2010. Т. 46. С. 497–503.

16. Портативные химические источники тока. М.: «Компания Спутник+». 2008. 220 с.

17. , Создание тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов с использованием наноматериалов. Автономная энергетика. М.: НПП «Квант»,  № 28. 2011. С. 39 - 45.

_________?_________

УДК 541.136

Исследование разрядных характеристик литий-ионных аккумуляторов при низких температурах

1(д. т.н.), 2

•

1Межведомственный научный совет по комплексным проблема

физики, химии и биологии при Президиуме РАН

2 НПП «Квант»

Появление все новых и многофункциональных изделий радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) диктуют с каждым годом все более высокие требования к источникам автономного электропитания. Наиболее высокие технические характеристики среди аккумуляторов в течение последних лет стабильно демонстрируют литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Однако до последнего времени считалось, что ЛИА не могут эксплуатироваться при температурах, ниже  - 20° С, хотя исследователи предпринимали энергичные усилия по решению этой проблемы. Представляло интерес проверить работоспособность ЛИА при пониженных температурах, включая и те модели, на которые нет разрешения на эксплуатацию в таких условиях. Для испытаний были выбраны аккумуляторы производства ведущих фирм SAFT, Sony, AZ и GP последних моделей, включая низкотемпературные серии. Ниже приведены технические параметры исследованных аккумуляторов.

  Таблица 1

Характеристики исследуемых аккумуляторов

Наименование аккумулятора	Номинальная ёмкость (мА•ч)	Номинальное напряжение (В)	Номинальный ток разряда, (мА)	Макс. ток разряда (мА)	Температура разряда (? С)	Габаритные размеры (мм)	Ресурс, циклов заряд-разряд
UR18650FM (Sanyo)	2600	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-20…+60	диам.18 х 65	500
GP1865 L220 P1 (Gold Peak Groop)	2200	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-30…+60	диам.18 х 65	500
18650F2LBE	2200	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-40…+60	диам.18 х 65	не прив.
ICR18650-26C (SAMSUNG)	2600	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-10…+60	диам.18 х 65	не прив.
ICR18650 3,7V (AZ)	2200	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-40…+45	диам.18 х 65	500
1865001AD03116	2200	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-40…+45	диам.18 х 65	не прив.
18650VTC1 (Sony)	1300	3,7	0,2 Сн	25 А	-10…+50	диам.18 х 65	не прив.
MP 174565 (SAFT)	4800	3,75	0,2 Сн	10(20)А	-50…+60	19х45х68	600
ET LP402030	190	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-10…+50	4х20х30	500
ET LP402030-PCM	190	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-10…+50	4х20х33	500
ET LP383450	800	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-10…+50	3,8х34х50	500
ET LP802035P10C	350	3,7	0,2 Сн	10 Сн	-20…+50	8х20х35	500
NL5536110LT40 (PRC)	2000	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-30…+45	5.5х36х110	500
ET ICR14500-PCM	720	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-20…+60	диам.14 х 50	500
ET ICR17650-PCM	1500	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-20…+60	диам.17 х 65	500
ET ICR18650H-PCM	2900 (2200)	3,7	0,2 Сн	2 Сн	-20…+60	диам.18 х 65	500

Испытания проводили в гальваностатическом режиме после термостатирования в течение не менее 2-х часов номинальными и повышенными токами разряда, оговоренными для каждого типа аккумуляторов.

Результаты испытаний ЛИА при температуре - 40? С. Ниже приведены зависи-мости напряжения аккумуляторов (В) от времени разряда (мин) при токах разряда 0,2Сн, и выше. Были предприняты попытки разрядить аккумуляторы токами 1Сн, но ни один из подвергнутых испытаниям образцов не оказался работоспособным при температуре  - 40? С при этом или сколько-нибудь близких к нему токах. В связи с этим при низких температурах испытания проводились током 0,2 Сн и самым большим током, при котором могут работать аккумуляторы при указанной температуре.

В статье не будут приводиться значения разрядной емкости аккумуляторов каждого типа для каждой температуры, т. к. нет критерия окончания разряда. Каждый производитель задает свое конечное разрядное напряжение при низких температурах от 2,2 до 3,0 В. Фирма SAFT, например, считает значение 2,5 В конечным разрядным напряжением даже при НКУ. Поэтому ниже будут приведены все разрядные кривые при всех исследованных режимах, из которых очевидно, на какое время работы и при каком напряжении на аккумуляторе можно рассчитывать.

На рис. 1 изображены разрядные кривые аккумуляторов GP1865 L220 и 18650F2LBE при температуре  - 40? С и токе 440 мА (0,2 Cн).

Из рисунка 1 следует, что менее 30 % времени разряда напряжение на аккумуляторах превышает 3 В. Тем не менее образцы GP1-GP3 имеют близкие характеристики, что говорит о возможности эксплуатировать эти аккумуляторы даже при температуре  - 40? С в диапазоне напряжений от 2,3 до 3,1 В. Образцы Q1-Q3 проявили себя несколько хуже. Начальный спад напряжения может быть воспринят аппаратурой, как признак разряженности аккумулятора. Большой разброс характеристик от образца к образцу говорит о непредсказуемости поведения таких  аккумуляторов при  температуре  - 40? С, и о том, что это экстремальные условия для его эксплуатации.

Рис. 1.  Разрядные кривые литий-ионных аккумуляторов GP1865 L220 (GP1 - GP3)

и 18650F2LBE (Q1 - Q3) при температуре  - 40? С и токе разряда 440 мА (0,2Cн).

Следует обратить внимание на заметный провал напряжения в начале разрядных кривых аккумуляторов 18650F2LBE. Это явление, которое тем заметнее, чем ниже температура, возможно, связано с прогревом электролита в начале разряда. У аккумуляторов низкотемпературных серий этот провал менее заметен, чем у обычных.

Далее те же образцы  ЛИА были разряжены при температуре  - 40? С  током 1А (~ 0.45 Cн). Из рис. 2 видно, что разброс разрядных кривых увеличился, линии кривых стали волнистыми, т. е. непредсказуемость работы аккумуляторов возросла. Колебания напряжения и глубокий провал в начале разряда у образцов аккумуляторов 18650F2LBE могут свидетельствовать о том, что аккумулятор разряжается в непредназначенных для него условиях.

Рис. 2.  Разрядные кривые аккумуляторов GP1865 L220 и 18650F2LBE

при температуре  - 40? С и токе 1А (~ 0.45) Cн.

Заметим, что GP1865 L220, выпускающийся уже около 10 лет по старой технологии, показал лучшие параметры, чем новый 18650F2LBE. Примечательно, что на GP1865 L220 разряд при температуре  - 40? С производитель не заявлял и к низко-температурным сериям не относил.

Далее были проведены совместные испытания аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и ICR18650 компании AZ, тоже заявленных как низкотемпературные (нижний предел температуры  - 40? С).

Рис. 3.  Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и 1865001AD03116. Зависимость напряжения от времени разряда

при температуре  - 40? С и токе 440 мА  (0,2Cн).

Рис. 4.  Сравнение разрядных характеристик аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE и 1865001AD03116. Зависимость напряжения от времени разряда

при температуре  - 40? С и токе 600 мА.

На рис. 3 и 4 изображены разрядные кривые аккумуляторов GP1865 L220, 18650F2LBE  и  1865001AD03116  при  температуре  - 40? С и токах 440 мА (0,2 Cн) 660 мА (0,3 Cн). В принципе, картина повторяется: те же неожиданные колебания напряжения, тот же глубокий провал в начале разряда. По-прежнему GP1865 L220 превосходит остальные образцы, но примечательно другое. При температуре - 40? С образцы аккумуляторов 18650F2LBE и 1865001AD03116 показывают более высокие характеристики при большем токе! Разрядные кривые при токе 600 мА, рис. 3, стали походить  на  обычные  разрядные  кривые,  без бросков и осцилляций, как при токе 440 мА. Более того, время разряда при большем токе увеличилось. Вероятно, при температурах около  - 40? С происходят фазовые превращения в электролите, которые влияют на внутреннее сопротивление источника тока. На повышенных токах происходит разогрев ЛИА и очередной фазовый переход (плавление электролита) приводит к заметному повышению электропроводности и повышению разрядных характеристик. Полагаем, что эти аккумуляторы при температуре - 40? С применять нельзя.