如何在 35 分钟内将锂离子电池充满电?

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2022-02-03 00:46:13

我碰巧拥有一个使用锂离子电池运行的电钻/驱动器,并附带一个充电器,可在 35 分钟内将其充满电,并声称在 15 分钟内将其充电至 70%。

根据对这个问题的回答,锂离子电池的最高充电电流约为 1C,考虑到损耗意味着充电时间至少应超过一小时。这与我使用手机等其他设备的经验一致——它们大约需要 1.5 小时才能充满电。

那么如何在大约 35 分钟内为锂离子电池充电呢?

4个回答

这怎么可能?太阳底下每个锂电池厂商都想打造快充电池,因此成为研究热点。

2007 年的这篇文章对快速充电锂离子电池的内部原理进行了一些阐述:

高漏率电池没有标准定义,但基本设计指南规定标准基于氧化钴的电池可以支持 2-C 或 3-C 速率的连续电流。基于氧化钴的高漏极电池支持大约两倍的电流,但仅支持几秒钟。新的高耗电电池支持 20 C 连续。

鉴于高放电率电池可以在很短的时间内支持大电流放电,理论上,电池充电器可以在同样短的时间内为该电池充满电。但要利用这种可能性,必须修改传统的电池充电器设计。为简单起见,可以通过支持单节电池组的单槽充电器示例来说明这些变化。

电池特性

从表面上看,快速充电的锂离子电池似乎很简单。似乎可以简单地增加在充电周期的恒流阶段提供的电流。然而,如表中所示,当电流从 1 C 增加到更高的速率时,总充电时间并没有显着减少。

无论电池供应商如何,2-C 速率与 3-C 速率的充电时间差异仅约一分钟。本质上,电池只会更快地达到上限电压截止,但在恒压充电模式下的时间会更长。显然,这增加了由于过压而损坏电池的可能性。传统锂离子电池的电阻会导致它们在更快的充电过程中发热更多,因此电池将开始分解。快速充电显着缩短了电池寿命周期。

设计能够适应高放电和高充电速率的电池是为了减少离子和电子传输的路径长度和电阻。图 1 显示了一个典型的锂离子圆柱形电池的横截面。变化从电池的活性材料开始。传统的锂离子电池基于钴酸锂 (LiCoO2) 阴极化合物。在这种材料中,在阴极内外扩散的锂离子只能通过晶体结构中的二维路径插入。

通过改变电池活性材料的物理形态或改变材料的化学结构,或两者兼而有之,可以缩短路径长度。物理解决该问题的一种方法是将材料的粒度减小到纳米级。锰尖晶石 (LiMn2O4) 等新化学物质为离子插入提供了 3-D 途径。

除了这些变化之外,还必须通过使用薄材料、增加集流体的数量、增加电解质浓度和使用溶剂降低其粘度来降低电池的电阻。许多这些变化表明,锂聚合物电池可能非常薄,适合用于高倍率设计。

锂离子电池制造商一直在试验他们的配方,以实施特定于高速应用的设计。一些制造商提出了解决方案。E-One Moli Energy 推出了一种用于无绳电动工具的基于锰尖晶石阴极材料的高放电率电池。

很容易让锂离子电池看起来在一小时内充满电,尽管实际上并非如此。在达到所需的充电电压(第一条垂直虚线)后,电池仍将接受电流并可以进一步充电。如果省略此步骤,则在充电后直接测量电池会显示充满电,但稍后电压会显着下降。

充电锂离子

一些低成本的消费者充电器可能会使用简化的“充电并运行”方法,即在一小时或更短的时间内为锂离子电池充电,而无需进入第 2 阶段饱和充电。当电池达到阶段 1 的电压阈值时出现“就绪”。由于此时的充电状态 (SoC) 仅为 85% 左右,用户可能会抱怨运行时间短,不知道是充电器的问题. 由于这个原因,许多保修电池正在被更换,这种现象在蜂窝行业中尤为常见。

要了解您的充电器是否属于这种情况,请在充电时随时间测量电压和电流,并将您的测量结果与上图进行比较。如果您提供该数据,则应该清楚到底发生了什么。目前,除了充电器的声明外,我们没有其他数据,因此每个答案都是推测性的。

有关更多信息,请参阅:

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

我碰巧拥有一个使用锂离子电池运行的电钻/驱动器,并附带一个充电器,可在 35 分钟内将其充满电,并声称在 15 分钟内将其充电至 70%。

根据对这个问题的回答, 锂离子电池的最高充电电流约为 1C,考虑到损耗意味着充电时间至少应超过一小时。这与我使用手机等其他设备的经验一致——它们大约需要 1.5 小时才能充满电。

那么如何在大约 35 分钟内为锂离子电池充电呢?

我写了前面问题的长答案。
您的电钻电池和充电器很可能结合了我在那里描述的几个方面,可以实现快速或明显的快速充电。

首先我说:

  • 锂离子电池可以按照制造商建议的速率安全(足够)充电。更快可能是可能的,并且可能是“安全的”,但所有的保证都是关闭的,更短的寿命或瞬间非常短的寿命是明确的选择。

  • 标准规格是 1C 最大充电。

也就是说,行业惯例是以最大 1C 充电,但个别制造商可以随意突破限制。问题是热的、机械的和化学的(至少)。正如我所说 - 可能会导致电池寿命降低。

我也说过

  • 有新的锂基化学物质和新的机械装置允许锂基电池以更快的速率充电。如果制造商说是这样,它确实可能是。我已经看到具有 2C 充电额定值的标准锂离子电池,但标准是最大 1C。(往上看)

这正是您所报告的 - 它与先前的答案完全一致 - 只是不是行业标准,它表明您可能会获得较短的循环寿命或低于预期的容量。

一个主要原因可能是制造商实际上通过将电池额定容量低于标准容量而不将其完全充电来延长电池寿命。如果他们将其评为实际值的 60% 左右,那么:

假设满容量为 1 Ah 以简化计算。任何容量都会产生相同的结果。

60% 容量 = 0.6 Ah。

以恒定 1C = 1A 充电。

以 1C 速率达到 0.6C 的时间 = 0.6 小时 = 40 分钟(声称 35)

达到 70% 的时间 = 0.7 x 0.6 x 60 分钟 = 25 分钟(声称 15)

因此,让我们大胆一点,在容量不足的情况下以 1.6C 充电第 1 15 分钟。在这个水平上,Vin 和 Vcell 之间的增量电压更小,热损失也更低。如果我们在 15 分钟内管理 70% 的容量,我们需要在 (35-20) = 15 分钟内增加 30%。15m 是 15/35 = 总 35 分钟充电时间的 43%,但我们只需要添加 30% 的电量,因此对于他的最后一部分,低于 1C 的速率是可以接受的。

在实践中,可能会使用上述的一些组合。说

  • 将电池降额至全部可能容量的 75% 至 80%。

  • 在充电器而不是电池控制下以 > 1C 为前 70% 的充电电流充电,因此在电池容量的 70% 时它会降至 1C 以下。因此,电池在容量低且随充电水平下降的速率下会被硬充电,并且永远不会充满。最终结果很可能是延长循环寿命。

或者他们可能会做一些完全不同的事情:-)。

减少充电时间的一种方法是改善电池化学成分以降低 ESR,但当然,电池匹配对于分流电流变得至关重要,以使每个电池的功率传输正常化。温度升高是一个高度加速的老化因素。我发现我的 Mac AIR 的电池寿命只有 1000 小时,所以我尽可能多地使用充电器,并尽量避免温度过高。

去买个备用电池吧。