Hogyan töltődik a lítiumion-akkumulátor? Feszültséghatár, áram és a telítési szakasz

Röviden: a lítiumion akkumulátor töltése feszültségkorlátos folyamat, és a feszültséghatárt szigorúan be kell tartani, mert az akkumulátor nem bírja a túltöltést. Ez általános ismertető, nem töltő-építési útmutató.

A töltő feszültséget korlátoz

A lítiumion töltő feszültségkorlátozó eszköz, amely hasonlít az ólomsavas rendszerére. A különbség a magasabb cellánkénti feszültségben, a szigorúbb feszültségtűrésben és abban van, hogy teljes töltöttségnél nincs csepptöltés vagy lebegtető töltés. Míg az ólomsavas némi rugalmasságot enged a lekapcsolási feszültségben, a lítiumion cellák gyártói szigorúak a helyes beállításra, mert a lítiumion nem fogad el túltöltést. A forrás szerint „csodatöltő”, amely impulzusokkal és trükkökkel hosszabbítja az élettartamot és növeli a kapacitást, nem létezik: a lítiumion „tiszta” rendszer, és csak annyit vesz fel, amennyit el tud nyelni.

A hagyományos katódanyagú (kobalt, nikkel, mangán, alumínium) lítiumion cellák jellemzően 4,20 V/cellára töltődnek, ±50 mV/cella tűréssel. Egyes nikkelalapú változatok 4,10 V/cellára, a nagy kapacitásúak 4,30 V/cellára és afölé is mehetnek. A feszültség emelése növeli a kapacitást, de a specifikáción túl terheli az akkumulátort, és rontja a biztonságot. A csomagba épített védelmi áramkör nem engedi túllépni a beállított feszültséget.

A töltés szakaszai

A töltés két fő szakaszból áll: állandó áramú szakasz, majd telítési (feszültségtartó) szakasz. A teljes töltöttséget akkor érik el, amikor az áram az Ah-névleges érték 3–5%-ára csökken. Az energiacellák ajánlott töltési sebessége 0,5C és 1C között van, a teljes töltés kb. 2–3 óra. A gyártók a hosszabb élettartam érdekében 0,8C vagy kisebb töltést javasolnak. A töltési hatásfok kb. 99%, és a cella hűvös marad töltés közben.

A töltőáram növelése nem gyorsítja jelentősen a teljes feltöltést: az akkumulátor gyorsabban eléri a feszültségcsúcsot, de a telítési szakasz ennek megfelelően hosszabb lesz. A nagy áramú töltés viszont gyorsan, kb. 70%-ig feltölti az akkumulátort.

Egyes csomagok hőmérséklete a teljes töltöttség elérésekor kb. 5 °C-kal emelkedhet. A forrás szerint abba kell hagyni az akkumulátor vagy a töltő használatát, ha a hőmérséklet mérsékelt töltési sebességnél 10 °C-nál többet emelkedik.

Nem kell teljesen tölteni

A lítiumionnál nem kell és nem is kívánatos a teljes feltöltés, ellentétben az ólomsavassal. Valójában jobb nem teljesen tölteni, mert a magas feszültség terheli az akkumulátort. Alacsonyabb feszültségküszöb választása vagy a telítési szakasz elhagyása meghosszabbítja az élettartamot, de csökkenti az üzemidőt. A telítés hozzáadása a beállított feszültségen kb. 10%-kal növeli a kapacitást, de a magas feszültség miatt terhelést is jelent. A fogyasztói termékek töltői a maximális kapacitásra törekednek, és nem állíthatók, mert a hosszabb élettartamot kevésbé tartják fontosnak.

Egyes olcsóbb töltők a „töltsd és menj” módszert használják, amely egy óra vagy rövidebb idő alatt tölt, és a telítési szakasz nélkül jelez „kész”-t. A töltöttség ilyenkor kb. 85%, ami sok felhasználónak elegendő lehet.

A töltés végén

A lítiumion nem képes elnyelni a túltöltést. Teljes töltöttségnél a töltőáramot meg kell szakítani. A folyamatos csepptöltés fémes lítium kiválását okozná, és veszélyeztetné a biztonságot. A töltés megszűnése után az akkumulátor feszültsége csökkenni kezd, és idővel az üresjárási feszültség a forrás szerint 3,70 V és 3,90 V/cella közé áll be.

Más kémiák, más töltők

A hagyományos lítiumion névleges cellafeszültsége 3,60 V, a lítium-vas-foszfát (LFP) névleges feszültsége 3,20 V, és 3,65 V-ra töltik. A lítium-titanát (LTO) névleges feszültsége 2,40 V, és 2,85 V-ra töltik. Az ilyen, nem kobalt keverékű lítiumion akkumulátorok töltői nem kompatibilisek a szokásos 3,60 voltos lítiumionnal. A forrás szerint egy 3,60 voltos akkumulátor az LFP-hez tervezett töltőben nem kap elég töltést, az LFP viszont a hagyományos töltőben túltöltődne.

Mi történik túltöltéskor?

A lítiumion a megadott feszültségtartományon belül biztonságosan működik, de instabillá válik, ha véletlenül a megadottnál nagyobb feszültségre töltik. A forrás szerint a 4,20 V/cellára tervezett lítiumion tartós, 4,30 V fölötti töltése fémes lítiumot választ ki az anódon, a katód anyaga oxidálószerré válik, elveszti a stabilitását, és szén-dioxidot termel. A cellanyomás nő, és ha a töltés folytatódik, a cella biztonságáért felelős áramkör-megszakító (CID) 1000–1380 kPa nyomásnál lekapcsol. Ha a nyomás tovább emelkedik, egyes cellák biztonsági membránja kb. 3450 kPa-nál felszakad, és a cella lángolással járó szellőzéssel végződhet.

Teljesen feltöltött állapotban a hőkiszabadulás hőmérséklete alacsonyabb, ezért minden lítiumalapú akkumulátor alacsonyabb töltöttségnél biztonságosabb. A forrás szerint a hatóságok ezért írják elő a légi szállítást 30%-os töltöttséggel.

Mit érdemes megjegyezni?

A töltés minősége az akkumulátor élettartamát és biztonságát is meghatározza, ezért mindig az adott kémiához és csomaghoz tervezett töltőt kell használni. A feszültség és az élettartam kapcsolatáról a lítiumion élettartamáról szóló cikkben írtunk, a védelmekről a biztonságról szóló írásban, a kémiákról a típusokról szóló cikkben.

Hogy mit szabad ma Magyarországon otthon kiépíteni és bejelenteni, azt a Szabályozás oldalon követjük.