Исследование деградации Li-ion аккумуляторов в результате “быстрой” зарядки  

Задача

Выяснить, как влияет “быстрая” зарядка на скорость деградации Li-ion аккумуляторов в устройствах с высоким током потребления.

В рамках исследования провел ряд экспериментов. Эксперимент заключается в зарядке аккумулятора током в 4-5 раз выше номинального. Номинальный ток заряда для исследуемых аккумуляторов от 2 до 5А, я буду использовать ток 20А.
В результате эксперимента будет видно, как “быстрая” зарядка увеличивает скорость деградации аккумуляторов.

В качестве испытуемых выбраны Li-ion аккумуляторы Sanyo NSX и LG 18650HG2 в формфакторе 18650.Выбор формфактора обусловлен тем, что именно данный они чаще всего применяется в устройствах с высоким током потребления. А именно: аккумуляторный электроинструмент, электронные сигареты, мощные фонари и некоторые виды электротранспорта.

Процесс

1. Производится замер емкости исследуемого аккумулятора.
2. Аккумулятор устанавливается в испытательный стенд. Стенд полностью автономен и подключен к компьютеру. Стенд представляет собой нагрузку и зарядное устройство. Которые заряжают и разряжают аккумулятор.
3. Аккумулятор подвергается 100 циклам заряда-разряда током 20А. Цикл заряда-заряда перезапускается автоматически программой на компьютере.
4. После 100 циклов заряда-разряда производится повторное измерение емкости аккумулятора.

Таким образом, мы получаем емкость нового аккумулятора и емкость аккумулятора после 100 циклов заряда-разряда. И вычисляем потерю емкости в процентах.

Режим тестирования:
- ток заряда 20А
- ток разряда 20А
- метод заряда постоянным током
- напряжение заряда 4,2В
- напряжение разряда 2,5В
- 100 циклов

Выбор тока заряда.
Ток заряда 20А является предельным для большинства Li-ion аккумуляторов в формфакторе 18650. Поэтому выбрана именно эта величина. Кроме этого, похожие значения тока используют “быстрые” зарядки для аккумуляторного инструмента.

Почему именно 100 циклов.
Кривая потери емкости в течение срока службы аккумулятора близка к линейной. Имея данные для первых 100 циклов, можно экстраполировать процесс с приемлемой точностью на весь срок службы аккумулятора.

Ускорение деградации заметно в первые 15-20 циклов и на этапе, когда ресурс аккумулятора подходит к концу. Следовательно, если за первые 100 циклов аккумулятор потерял 8% емкости, то за следующие 100 циклов потеряет меньше 8%.То есть “хуже” чем измерено в первые 100 циклов уже не будет.

Отступление

На различных форумах и Youtube каналах неоднократно попадаются утверждения о том, что заряд аккумуляторов максимальными токами сокращает ресурс в разы. Также часто вижу советы отказаться от быстрых зарядок, особенно это касается аккумуляторного электроинструмента. Утверждается, что лучше заряжать “медленной” зарядкой, чем “быстрой”. Якобы это в разы продлит срок службы. А “быстрая” зарядка быстро убьет аккумулятор.

Получили данные со стенда, что дальше

Теперь нужно сравнить, как деградировали аккумуляторы, которые заряжались "стандартным" током с деградацией аккумуляторов после применения "быстрой зарядки".

Производить измерения "стандартными" токами самостоятельно не вижу смысла, так как результаты измерений и графики для токов 4-5А уже есть в документации производителя.

Поэтому берем график потери емкости из документации и сравниваем с графиком, который был получен со стенда.

Сравниваем "быструю" и "стандартную" зарядку Sanyo NSX

Данные производителя “стандартной” зарядки током 5А

Емкость начальная - 2537мАч.
Емкость после 100 циклов заряда-разряда - 2243мАч.
Потеря емкости - 11,4%.

Данные со стенда для “быстрой” зарядки током 20А

Емкость начальная 2461мАч.
Емкость после 100 циклов заряда-разряда 2251мАч.
Потеря емкости 8,5%.

Анализируем результаты

Из данных производителя следует, что если заряжать аккумулятор током 5А, то после 100 циклов заряда-разряда емкость аккумулятора уменьшится на 11,4,%.

Аккумулятор, тестируемый на стенде, потерял всего 8,5%, что даже меньше чем в тестах производителя. То есть "быстрая" зарядка не привела к уменьшению ресурса аккумулятора относительно стандартных режимов работы.

Сравниваем "быструю" и "стандартную" зарядку LG 18650HG2

Данные производителя для “стандартной” зарядки током 4А

Емкость аккумулятора 3027мАч.
Емкость после 100 циклов заряда-разряда 2559мАч.
Потеря емкости 15,4%

Результаты измерений для “быстрой” зарядки током 20А

Емкость аккумулятора 2848мАч.
Емкость после 100 циклов заряда-разряда 2564мАч.
Потеря емкости 10%

Больше графиков и измерения для LG 18650HG2 можно посмотреть в базе знаний.

Анализируем результаты

Для “стандартной” зарядки током 4А производитель декларирует потерю емкости на 15,4% после 100 циклов заряда-разряда.

В случае с “быстрой” зарядкой током 20А потеря емкости составила 10%, что меньше заявленной производителем.

Как и в предыдущем опыте, использование “быстрой” зарядки не привело к увеличению скорости деградации аккумулятора.

Сводная таблица

В таблице сопоставлены результаты измерений со стенда, с данными из документации производителей.

Выводы

Использование “быстрой” зарядки не вызывает кратного сокращения ресурса аккумулятора. Если режимы работы не выходят за рамки допустимых, то скорость деградации аккумулятора не превышает паспортные.

Даже в жестком режиме эксплуатации аккумуляторы “отдают”, обещанные, 300 циклов заряда-разряда.

Аккумуляторы “умирают”, быстро деградируют и горят по причинам, которые не связаны с “быстрой” зарядкой. В чем причина быстрой "смерти" и возгорания аккумуляторов напишу в следующей статье. Уже выполнена часть экспериментов.