Li ION Battery Charging | Os Melhores Métodos de Carregamento

Carga e descarga de células / baterias de iões de lítio

Descubra como prolongar a vida útil da sua bateria utilizando os melhores métodos de carregamento

A carga e descarga de baterias envolve uma reacção química, mas com iões de lítio há uma excepção. Os cientistas falam de energias que entram e saem da bateria como parte do movimento dos iões entre o ânodo e o cátodo. Se os cientistas estivessem certos, a bateria viveria para sempre, mas eles não estão. Culpam o desvanecimento dos iões presos, mas como em todos os sistemas de bateria, a corrosão interna e outros efeitos degenerativos, também conhecidos como reacções parasitárias no electrólito e nos eléctrodos, desempenham um papel importante.

O carregador de iões de lítio é um dispositivo limitador de voltagem que tem semelhanças com o sistema de baterias de chumbo-ácido. As diferenças com o ião de lítio estão numa tensão mais elevada por célula, em tolerâncias de tensão mais apertadas e na ausência de carga de gotejamento ou flutuação com carga total. Embora o chumbo-ácido ofereça alguma flexibilidade em termos de corte de tensão, os fabricantes de Li-ion são muito particulares quanto à regulação correcta, porque o Li-ion não pode aceitar qualquer sobrecarga. O chamado "carregador milagroso" que promete prolongar a vida útil da bateria e aumentar a capacidade extra não existe. O sistema de Li-ion é um sistema "limpo" e só aceita o que pode absorver.

Carregamento de cobalto misturado com baterias de iões de lítio

Referimo-nos especificamente às baterias de iões de lítio fabricadas com materiais catódicos tradicionais de cobalto, níquel, manganês e alumínio tipicamente carregados a 4,20V/célula. A tolerância é de +/- 50mV/célula. Algumas variedades à base de níquel carregam a 4,10V/célula; o Li-ion de alta capacidade pode ir até 4,30V/célula. Aumentar a voltagem também aumenta a capacidade, mas ir além da especificação pode sobrecarregar a bateria. O circuito de protecção incorporado na bateria não permite que a tensão definida seja excedida.

A figura 1 mostra a variação de tensão e corrente à medida que o ião de lítio passa pelas fases de corrente. A carga completa é atingida quando a corrente diminui para entre 3% e 5% da classificação Ah.

Figura 1: Etapas de carga de iões de lítio. O ião de lítio é totalmente carregado quando a corrente cai para um nível definido. Em vez de carga por gotejamento, alguns carregadores aplicam uma carga quando a voltagem cai.

Cortesia do Cadex

A oscilação da temperatura no carregamento de uma célula de energia está entre 0,5C e 1C e o tempo total de carregamento é de aproximadamente 2-3 horas. Os fabricantes destas células recomendam o carregamento a 0,8C ou menos para prolongar a vida útil da bateria. A maioria das células de energia pode levar um carregador mais potente. A eficiência de carregamento é de cerca de 99% e a célula permanece fria durante o carregamento.

Algumas baterias de iões de lítio podem sofrer um aumento de temperatura de aproximadamente 5°C quando atingem a carga máxima. Interromper a utilização da bateria ou carregador se a temperatura subir mais de 10°C sob velocidades de carga moderadas.

A carga completa ocorre quando a bateria atinge a tensão limite e a corrente cai para 3% da corrente nominal. Uma bateria é também considerada totalmente carregada se os níveis se desligarem e não puder descer mais.

Um aumento na corrente de carga não traz uma carga completa para a frente. Embora a bateria atinja a tensão de pico mais rapidamente, a carga de saturação demorará consequentemente mais tempo. Com uma corrente mais elevada, a fase 1 é mais curta, mas a saturação durante a fase 2 demorará mais tempo. Uma carga de corrente elevada, contudo, irá encher rapidamente a bateria até cerca de 70%.

Uma bateria de iões de lítio não precisa de estar totalmente carregada, como acontece com o ácido de chumbo, nem é desejável fazê-lo. De facto, é melhor não o carregar completamente porque a alta voltagem sobrecarrega a bateria. A escolha de um limiar de voltagem mais baixo ou a eliminação da carga de saturação prolonga completamente a vida útil da bateria, mas isto reduz o tempo de funcionamento. Outros carregadores de produto vão para a capacidade máxima e não podem ser ajustados; assim, a vida útil do próprio produto é percebida como sendo de menor importância.

Alguns carregadores de baixo custo para consumidores podem utilizar um método simplificado de "carregar e correr" que carrega uma bateria de iões de lítio numa hora ou menos sem passar à fase 2 de carga de saturação. O estado de carga (SoC) neste momento é aproximadamente 85%, um nível que pode ser suficiente para muitos utilizadores.

Alguns carregadores industriais estabelecem propositadamente o limite de voltagem de carga mais baixo para prolongar a vida útil da bateria. A tabela 2 ilustra as capacidades estimadas ao carregar em diferentes limiares de tensão com e sem carga de saturação.

Quadro 2: Características típicas de carregamento de iões de lítio. A adição de saturação total à tensão ajustada aumenta a capacidade em aproximadamente 10%, mas acrescenta stress devido à alta tensão.

Quando a bateria é colocada em carga, a voltagem dispara rapidamente. A capacidade recuperará quando a bateria estiver quase totalmente carregada (Figura 3). Esta característica é típica de todas as baterias. Quanto maior for a corrente de carga, maior será este efeito. As temperaturas frias ou o carregamento de uma célula com uma resistência interna elevada amplificam o efeito.

Figura 3: Volts/Capacidade vs. tempo de carga de iões de lítio.

A capacidade arrasta a tensão de carga, semelhante a levantar um peso pesado com um elástico de borracha.

Cortesia do Cadex

A medição da tensão em circuito aberto (OCV) depois de a bateria ter estado em repouso durante algumas horas é o melhor indicador. Como com todas as baterias, a temperatura afecta o OCV, o mesmo acontece com o material activo de iões de lítio.

As baterias de iões de lítio não devem ser sobrecarregadas. Quando completamente carregadas, a corrente de carga deve ser cortada.

Uma vez terminado o carregamento, a voltagem da bateria começa a baixar. Isto alivia a voltagem. Com o tempo, a tensão do circuito aberto irá assentar entre 3,70V e 3,90V/célula. Note-se que uma bateria de iões de lítio que tenha recebido uma carga totalmente saturada manterá a tensão elevada durante mais tempo do que uma bateria que não tenha recebido uma boa carga.

Quando as baterias de iões de lítio são deixadas ligadas com o carregador, alguns carregadores aplicam uma breve carga de recarga para compensar a pequena auto-descarga da bateria que consome o seu circuito de protecção. O carregador pode falhar quando a tensão do circuito aberto cai para 4,05V/célula e volta para 4,20V/célula. Carregadores feitos para prontidão operacional, ou modo standby, deixam frequentemente a tensão da bateria cair para 4.00V/célula e recarregar para apenas 4.05V/célula em vez de 4.20V/célula completa. Isto reduz a tensão relacionada com a tensão e prolonga a vida útil da bateria.

Alguns dispositivos portáteis já estão num berço de carga enquanto estão ligados. A corrente que flui através do dispositivo é chamada carga parasita e pode distorcer o ciclo de carga. Os fabricantes de baterias alertam contra cargas parasitárias porque induzem mini-ciclos. Isto nem sempre pode ser evitado e um portátil ligado à rede principal de corrente alternada é um caso desses. A bateria pode ser carregada a 4,20V/célula e depois descarregada pelo dispositivo. O nível de tensão na bateria é elevado porque o ciclo ocorre no limiar de alta tensão, muitas vezes também a uma temperatura elevada.

Um dispositivo portátil deve ser desligado durante o carregamento. Isto permite que a bateria atinja o limiar de tensão definido e o ponto de saturação da corrente sem impedimentos. Uma carga parasita confunde o carregador, empurrando a voltagem da bateria e evitando que a corrente na fase de saturação caia suficientemente baixo para retirar uma corrente de fuga. Uma bateria pode estar completamente carregada, mas as condições prevalecentes causam carga contínua, causando stress.

Carregamento de baterias de iões de lítio sem cobalto

Enquanto o lítio-ião tradicional tem uma tensão nominal de célula de 3,60V, o Li-fosfato (LiFePO) tem uma tensão nominal de 3,20V e cargas a 3,65V. Relativamente novo é o Li-titanato (LTO) com uma tensão nominal de célula de 2,40V e cargas a 2,85V.

Os carregadores para estes Li-ion não baseados em cobalto não são compatíveis com o Li-ion normal de 3,60 volts. Os carregadores mais adequados devem ser identificados para que isto proporcione uma carga correcta. Uma bateria de lítio de 3,60 volts num carregador concebido para Li-phosphate não receberia carga suficiente; um Li-phosphate num carregador normal poderia causar sobrecarga.

Sobrecarga de iões de lítio

O ião de lítio funciona em segurança dentro das tensões de funcionamento designadas; no entanto, a bateria torna-se instável se for carregada acima da tensão especificada. Com uma carga prolongada acima de 4,30V numa célula de ião de lítio concebida para 4,20V / placa metálica de lítio no ânodo, o material catódico torna-se um agente oxidante, perde estabilidade e produz dióxido de carbono (CO2). A pressão da célula aumenta e se for permitido continuar a carregar, o dispositivo de interrupção de corrente (CID) responsável pela segurança da célula desliga-se a 1.000-1.380 kPa (145-200 psi). Se a pressão aumentar ainda mais, a membrana de segurança em alguns iões de lítio abre-se a aproximadamente 3.450 kPa (500 psi) e a célula pode entrar em combustão por ter atingido uma temperatura elevada.

Uma bateria totalmente carregada tem uma temperatura térmica baixa e irá desprender-se mais cedo do que uma bateria parcialmente carregada. Todas as baterias de lítio são mais seguras com uma carga mais baixa, razão pela qual as autoridades exigirão o envio aéreo de íon de lítio a 30% de carga em vez de carga completa.

O limiar para uma bateria de Li-cobalto com carga completa é de 130-150°C (266-302°F); para baterias de Níquel-manganês-cobalto (NMC) é de 170-180°C (338-356°F) e para baterias de Li-manganês é de cerca de 250°C (482°F). O Li-fosfato goza de uma estabilidade de temperatura semelhante e melhor do que o manganês.

O ião de lítio não é a única bateria que representa um risco de segurança se estiver sobrecarregada. As baterias à base de chumbo e níquel também são conhecidas por derreterem e causarem incêndios em caso de manuseamento incorrecto. O equipamento de carga correctamente concebido e escolhido é fundamental para o bom desempenho da bateria.

Resumo

Carregar baterias de iões de lítio é mais simples do que os sistemas baseados em níquel. O circuito de carga é simples; as limitações de tensão e corrente são mais fáceis de acomodar do que outras formas de tensão complexas, que mudam à medida que a bateria envelhece. O processo de carregamento pode ser intermitente, e o ião de lítio não necessita de saturação, como acontece com o ácido de chumbo. Isto oferece uma grande vantagem para o armazenamento de energia renovável, tal como um painel solar e uma turbina eólica, que nem sempre pode carregar totalmente a bateria. A ausência de carga gota a gota simplifica ainda mais o carregador.

Os consumidores e a maioria dos carregadores industriais de iões de lítio carregam totalmente a bateria. Não oferecem tensões de fim de carga ajustáveis que prolongariam a vida útil do ião de lítio, reduzindo a tensão de carga final e levando a um tempo de funcionamento mais curto. Os fabricantes de dispositivos receiam que tal opção possa complicar o carregador. As excepções são os veículos eléctricos e os satélites que evitam a carga completa para alcançar uma longa duração.

Directrizes simples para carregar baterias de lítio

Desligar o dispositivo ou desligar a carga para permitir que a corrente caia sem obstáculos durante a saturação.
Carregar a uma temperatura moderada. Não carregue à temperatura de congelação.
O ião de lítio não precisa de ser totalmente carregado; uma carga parcial é melhor.
Nem todos os carregadores aplicam uma carga de enchimento total e por isso a bateria pode não estar totalmente carregada quando o sinal "pronta" aparece; uma carga de 100% no indicador pode ser uma mentira.
Interromper o uso do carregador e/ou bateria se a bateria ficar excessivamente quente.
Aplicar alguma carga a uma bateria vazia antes de a armazenar (40-50%).

Muito obrigado pela leitura e desfrute da grande variedade de baterias que temos na nossa loja online.

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