автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.03, диссертация на тему:Использование импульсных режимов заряда для повышения эксплуатационных параметров аккумуляторов

УКРАШСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ Х1М1КО-ТЕХНОЛОГ1ЧНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

ПОДРАЖАНСЬКИЙ ЮР1Й МАРКОВИЧ

ВИКОРИСТАННЯ ШПУЛЬСННХ РЕЖИМ1В ЗАРЯДУ ДЛЯ П1ДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНИХ ПАРАМЕТР1В АКУМУЛЯТОР1В

Спещальшсть 05.17. 03 - технична електрсшмш

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацп на здобугтя паукового ступени кандидата тсхшчних наук

Дшпропетровськ - 2000

УДК 621.357.7:541.13

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана в Украшському державному х1мжо-технолопчному ушверситет1 (Галузева науково-досл1дна лаборатор1я хш1чних джерел струму) Мшктерства освт! 1 науки У кражи та в лаборатори ф1рми "Передов! технологи заряду" (Атланта, США).

Науковий кер1виик: доктор х!м1чиих наук Шембель Олена Мойсшша, Украшський державний х'шжо-технолопчний университет, завшувач Галузевою науково-дослщною лаборатор!сю нових хЬпчних джерел струму (ГНДЛхдс) при УДХТУ, м. Дншропетровськ

Офщшш опонентм: доктор техшчних наук, професор Костш Микола Олександрович, Дшпропетровський державний техшчний ушверситет залиничного транспорту, завщувач кафедри теорстичних основ електротсхшки,

доктор х1М1Чних наук, професор Кошель Микола Д.читровнч, Украшсысий державний х1м1ко-технолопчний университет, м. Дншропетровськ, завщувач кафедри техшчноГ електрох1ми

Провина установа: 1нститут загально! 1 неоргашчноТ Х1мп Нащонально!' Академн Наук Укра'ши, м. Кшв.

Захист вибудеться " /3 "^СО2000 р. о/З годиш на засданш спешал1зованоТ вчеио? ради Д 08.078.01 в Украшському державному хшко-технолопчному ушверситеп за адресою: 49005, Дншропетровськ, пр. Гагарша 8.

3 дисертащею можна ознайомитися у б1блютещ Украшського державного х1м1ко-технолопчного университету за адресою: 49005, Дншропетровськ, пр. Гагарша, 8.

Автореферат розюланий " У 2000 р.

Вчений секретар

Спеша-таованоТ вченоУ ради ¿2? I. Д. Пнмелле

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуалыпсть теми. В даний час у csiri вщбувасгься доений бум в обласн електрох1м!чних джерел струму. Потреба в них надзвичайно швидко зростас в зв'язку з розвитком р!зномаштних 3aco6ie комун!кацн, комп'ютерноТ техшки, транспорту, уЫляких побутових пристроУв, що використовують локальш джерела eneprii. Вщповщно до потреб росте виробництво джерел струму i р1зномаштиться Тхня номенклатура. Зокрсма, усе бшьш широке застосування одержують джерела струму нового поколшня, у яких використовуеться в якосгп активного компонента лтй. Водночас 36epiraioTb свое значения i багато традицшних тшпв джерел струму.

Особливо ¡стотне практичне значения мають так зваш повтори! (або Ti, що перезаряджаються) джерела струму (акумулятори), що припускають багатократне циклування. IxHi практичш переваги очевидш. Насамперед, вони набагато бшьш eKOHOMi4iii, шж джерела струму однократно! дц. Настшьки ж очевидш i l'xiii переваги в еколопчному вщношенн!, оскшьки для одержання тако! ж сумарноУ kuilkocti eneprii витрачаються в conri i тисяч1 раз ¡в менин кшькослт матср1ал1в, чим при використанш джерел струму однократно!" дц.

Дуже важливого характеристикою джерел струму, що перезаряджуються, с i'x здати icrn. до циклування, тобто спроможшсть витримувати багато крапп цикли заряду -розряду без ¡стотного зниження техшчних параметргв. Проте у Bcix типах вторишшх джерел струму в!дбуваеться поступове зниження napaMerpie i характеризуется воно, в першу чергу, зниженням емносп з кожним новим циклом заряду - розряду. У результат! тако! втрати смносп (в англомовшй термшологн - fade - «31в'янення, угасания») реалышй термш функцюнування джерел струму, що перезаряджаються, eapirae вщ декшькох десятое до декшькох тисяч циюпв.

Втрата EMHOcri джерела струму при циклуванш - дуже складний процес, що залежить вщ багатьох чинниив. У р!зних титв джерел струму Bin мае своУ специф1чш особливосп. Розробка прином1в i метод!в зменшення втрат gmhocti джерел струму при циклуванш i, тим самим, збшьшення потенщйного термшу УхньоУ служби, е, безумовно, дуже актуальною задачею. Дана робота спрямована саме на виршення такоГ задач!, чим i визначаеться П актуальшсть.

Зв'язок роботи з иауковнмп програмамн. планами, темами. Диссрташйна робота виконана вщповщно до Програми MiniiayKH УкраУни в галуз! критичних технологи, контракт № 2с/145-97, 2м/1420-97, до Гранту УНТЦ № 656, та до Гранту CRDF № USB-384/SBD-120.

Мета i задач! дослшжсння. Метою роботи е визначення можливостей полщшення експлуатац!йних параметр!в р!зномаштних тигпв джерел струму, що перезаряджаються, за рахунок змши режим'ш заряду i розробка метод!в i пристро'1'в для зд!йснекня процеЫв заряду в режимах, яю забезпечують зменшення тривалост! зарядного перюду i збшьшення циюпчносп акумулятор!в. Вихщна ¡дея постановки такоУ задач! заключаеться в тому, щоб використовувати ¡мпульсний режим заряду для пшвищення ¡нтенсивност! зарядного процесу й одночасно для одержання ¡нформацп про поточний стан акумулятора.

Наукова новизна отриманих результап'в.

1. Вперше розроблено ¡мпульсний адаптивний принцип заряду акумулятор1в, заснований на тому, шо пристрШ, який заряджуе, пост!йно отримуе шформащю про поточний стан та про динам¡чнни в!дгук акумулятора на заряджуюч! ¡мпульси, як! на нього полагаться, анал!зус цю ¡нформац!ю i використовуе для управл!ння процесом заряду. У такий спос!б акумулятор, що заряджаеться, включасться в ланцюг зворотного зв'язку ¡з зарядним пристросм, що i забезпечуе адаптивний характер процесу.

2. Показано, що режим заряду - швидккть та тривашеть редокс реакщй - ¡стотн впливае на макрокшетику процеыв у лорових структурах акумулятор1в. При заря; ¡мпульсами спещально! форми в адаптивному режим1 К1ЛЬК1СТЬ циклт, що витримуютьс акумулятором без значноТ втрати eMiiocTi, може бути в декшька pasie бшьше, Hi« пр звичайному режим! заряду постшним током.

3. Показано, що заряд акумулятора ¡мпульсами спещально!" форми дас змог значно пшвищити середшй розм1р зарядного струму в поршнянш3i звичайним режиму! заряду nocriiiHHM током i, вщповщно, прискорити процес заряду.

4. Ефект прискорення процесу заряду акумулятсрв в ¡мпульсному режнк пояснюеться з позици Teopii пористих електрод1В, в яких можлива реалпац! "пошарового", "об'емного" та пром1жного мехашзм1в протшання процеав заряду.

5. Показано, що режим заряду впливае на динамжу процеав фазоперетворюванн електродних MaTepianie, що вщображуеться у розм1ру окремого зерна пористс структури.

Нрактнчне значения отриманнх результата.

1мпульсний адаптивний принцип керування зарядом акумулятор1в реал13оваио розроблених автором протоколах заряду й автоматизованих зарядних пристро'п оснащених мжропроцесорами. Використання адаптивного регламенту (протоколу заряду дозволяе скоротити тривашеть процесу заряду в!д декшькох 4acie до 20 - 3 хвилин.

Термш служби акумуляторш, що заряджаються в адаптивному режим! з допомогою розроблених зарядних пристроГв, збтьшуеться в 2 - 5 pa3ie у портнянш акумуляторами, що заряджаються в режим! постШного струму.

Регламент заряду, заснований на адаптивному принцип!, використовусться дл акумулягор1в р1зномаштних титв: свинцевих, шкель-кадм1евих, зал!зо-шкелевих i nixiii ¡онних.

Приишшн опттапзацп процеав заряду висористаш при розроби комп'ютеризованих зарядних пристроГв в р1зномаштних модифжащях.. Пристро отриматн широке визнання i поширення. Компашя Advanced Charger Technology, Inc (Атланта, США) так! пристро! широко реал130вала в компаниях, яю розроблюють т використовують pi3noMaiiiTKi джерела струму.

Осдбнстин внесок здобувача складаеться з створення принципово новоп пщходу до проблеми оптнгмзацн процесу заряду акумулятор1в, розробки метод! безперевного контролю й адаптивного керування процесами заряду, розробки пристро'и для здшенення цих процес!в. Автором здшенений анал!з процессе, яи вщбуваються npi заряд! акумулятора ¡мпульсами складно! форми, виконаш експериментальн! дослщженн: ¡мпедансу та структурних зм!н електрод!в на р!зних стад!ях i при рЬних режимах заряду

Апробашя результат!в лнеертаии.

OcuoBui положения i результати робота доповщались i обговорювались н; ьажнародних конференщях Американського Електрох!м!чного Товариства (188-й: 1995 Чикаго, США, 194-й: 1998 - Бостон, США, 196-й: 1999 - Гонолулу, США, 197-й: 2000 Торонто, Канада), на 15-й uiopiwmii Конференцп з батарей (2000, Лонг Бич, США).

П\бЛ1ка||п'. OcuoBui результати дослщжень i розробок опублжоваш в V. наукових працях, у тому числ! 2 стаггях, 5 патентах, 5 тезах доповщей.

Структура та обсяг днеепташннон роботн. Дисертац!я складаеться з вступ\ семи глав, висновк!в, списку використаннх л!тературних джерел. Робота викладена н 134 стор!нках машинописного тексту i вм1щус 58 рисунив, 6 таблиць. Списо використаних джерел мостить 58 найменувань роба в'щчизняних та закордонних авторш

ЗМ1СТРОБОТИ

ВСТУП. Здшснена загальна оцшка проблеми, обгрунтована актуальшсть поставлено! задач1, сформульована основна мета роботи, охарактеризован! наукова новизна i практичне значения отриманих результат!в. Викладено зведення про апробашю роботи.

РОЗД1Л 1. У цьому роздш викладаються зведення про стан проблеми 1 формулюеться постанова задач¡.

Процес поступового зниження емносп при повторних циклах заряду-розряду притаманний уем видам акумулятор1в. Коли початкова емшеть знижуеться приблизно на 20-30% вщ первинного значения, «життсвий цикл» акумулятора звичайно завершуеться 1 його замшяють новим. Юльюсть зарядно-розрядних циклт, яку спроможний витримати акумулятор при припустнмш втрат1 емност1, е практично важливою характеристикою джерела струму.

Втрата емност1 обумовлена багатьма причинами. Так, у процесах старшня шкель-кадм1свих акумулятор! в значну роль грають ефекти, пов'язаш з утворенням при повторних циклах великих кристал1в на електродах. У свинцевих акумуляторах старшня зв'язане з поступовим розширенням активно!' маси на позитивному електродь корозгею струмоП1Лвод1в 1 розкладанням електрол1ту. Для акумулятор!в лтй-юнно! системи основщ причини зниження емноетт пов'язаш з перезарядом, при якому вщбуваеться осадження металевого лтю, розкладання електрол!ту та порушення структури елсктрода.

Всякий акумулятор являе собою дуже складну систему, що змппое св!й стан у кожному цикл! заряду-розряду. Працездатшсть акумулятора визначаеться не т!льки наданими йому при виготовленш конструктивними 1 технолопчними особливостями, але, в дуже великому ступеш, також 1 наступними умовами його роботи експлуатацн. На перший план тут виходить проблема упорядкування й оптимпаш! зарядного процесу. Вщ умов проведения процесу заряду у велиюй м!р! залежить працездатшеть акумулятора 1 тривал!сть його термшу служби (що вим!рюегься числом цикл1в заряду-розряду). Метою даного дослщження була розробка цшшв пщвищення експлуатац!йних характеристик акумулятор^в за рахунок активного керування процесом заряду.

Найбшьшого ефекту слщ оч1кувати вщ застосування адаптивного режиму заряду, при якому аккумулятор, що заряджуеться, ! зарядний пристр!й утворювали б единий замкнений контур ¡з параметричним негативним зворотним зв'язком. В будь-якш адаптивнш систем! повинен ¡снувати потж шформацп вщ об'скта до пристрою адаптацп ! вщ останнього до регулятора. У адаптившй систем! заряду акумулятора джерелом ¡нформаци, необхщно! для керування процесом, повинен бути сам акумулятор. При звичайному режим! заряду постшним струмом обсяг щформацп про поточний стан акумулятора дуже малий - це тшьки напруга, яка не е, однак, однозначною характеристикою. Обсяг шформацн, що надходить вщ акумулятора, можна значно збшьшити, якщо вести заряд в ¡мпульсному режим! та ф[ксувати змши напрути, що вщбуваються в кожному ¡мпульс!. Ця шформашя може бути достатньою для зд!йснення адаптивного керування процесом заряду.

При використанш ¡мпульсного режиму заряду значно зростае також ! ступ!нь розма!тосп можливих вар ¡ант! в впливу на акумулятор - можна вар1ювати ампл!туду ¡мпульав, !х тривал!сть, скважн!сть, чергувати ¡мпульси р!зно! полярност! ! т.д. Змкт I мета застосування ¡мпульсного режиму заряду не зводилася, проте. тшьки до того, щоб за його допомогою одержувати ¡нформащю, потр!бну для керування. 1мпульсний режим мае ! самостшне значения, вносячи значний вплив на х!д рпномаштних елсктрсштчних процеав.

Розглядаючи весь «життевий цикл» акумулятора вщ виготовлення до виходу ладу теля тривалоТ експлуатацп, можна чпко вид1лити процеси трьох часови масштабов, що рЬняться м1ж собою на багато порядюв. Найшвидшими i найбшы короткочасними е перехщш процеси, що вщбуваються в момент вмикання зарядног струму, а також при будь-яких переключениях або змшах навантаження в процес розряду. Характерннй масштаб часу цих процесш - секунди, або дол1 секунди. Пронес; другого часового масштабу пов'язаш 3i змшою ступеню зарядженосп пластин i перерозподшом концентрацп електролггу при заряд1 i розрядг Характерний масшта! часу для цих процесш - години. Третш, часовни масштаб, визначаеться повшьнш процесом старшня акумулятора, що супроводжуеться зниженням його спроможност ириймати заряд i ростом внутршшього опору. Тривал1сть цього процесу може досягат! декшькох роюв. Задача дано'1 робота поля гае в тому, щоб використовуючи шформащк про швидю процеси, навчитися керувати процесами середнього piBiw таким чином, що( опгимпувати показники третього, часового р1вня, тобто по можливосп збшьшит! циклуем1сть акумулятора.

РОЗДГЛ 2. MicTHTb bIsomoctî про методи експериментальних дослщжень, щ( застосовувалися в робот!. Основними об'ектами дослщжень були акумулятор! р1зн0ман!тних THnÎB, що сершно випускаються р1зними ф1рмами. Зокрема:

- CBHHUCßi (кнелотш) акумулятори GNB Technologies i Delco Remy; шкель-кадм1СВ1 акумулятори SANYO, Panasonic i Луганського акумуляторногс заводу;

шкель-металпдридш акумулятори (NiMH) ффм SANYO i Panasonic;

- литш-юнш акумулятори виробництва ф1рм SONY, Panasonic, Toshiba, Mitsubishi i in.

Bnoip об'екпв дослщження сершних вироб^в був обумовлений, виходячи з того

що:

- високий CTyniHb стандартизован осп cepiftnoi продукцп забезпечус одержаши вщтворюсмих результате;

вироби, що випускаються сершно, е продуктом ретельно'1 оптимизаций викоиано виробником при ix po3po6ni. Це дае шдстави вважати, що будь-ям ефекп пщвшцення сксплуатацшних характеристик акумуляторт, що спостер1галися npi використанш розроблюваних у дашй poöoTi прийомш заряду, були обумовлеш сам( режимом заряду, а не якимись ¡ншими або випадковими чинниками.

У ряд! випадыв з метою бшьш детального вивчення змш, що вщбуваються i акумулятор^ дослщжувалися окремо позитивний i негативний електроди. 3 шею меток акумулятор (на вщповщнш стада заряду) розкривався, i з електродав вириались зразы площею 1,13 см2, яы звшьнялися з одше"1 сторони вщ активно! маси i надал дослщжувалися в трьохелектроднш ячейш. Bei onepauiï по демонтажу батарей маншуляцп i3 зразками виконувались в атмосфер! чистого сухого аргону.

Bei вимфи потенщал1В на окремих електродах проводились вщносио лтевоге електроду.

Смшсть акумулятор!В як функщя порядкового номеру циклу визначалася з; допомогою Arbin Battery Test (ВТ-2043) System.

Циюпчш вольтамперограми зшмалися, якщо не вказано шше, при швидкост сканування 0,05 м/с.

Для ¡мпедансних BiiMipie використовувалася система Solartron SI HF F requeue) Response Analyzer i потеншостат/гальваностат Model 273A. Ыпедансш BHMipi здшсшовалися в меж1 частот вщ 0,005 Гц до 10 кГц.

Для визначення концентрацп р13номаштних елеме[гпв на поверхш елсктро.и використовувалася рентгешвська техшка ЕРМА {Electron Probe Microscopic Analysis).

Мжроструктура активно!" маси електрод1в дослщжувалася за допомогою електронного скануючого мжроскопа.

РОЗЛ1Л 3. Присвячений дослщженшо процесу зниження cmhoctî акумулятор1В при зарядженш у режим1 поспйного струму. Для того, щоб мати базу для пор1вняння результата, отриманих при стаидартних режимах заряду акумулятор^в постшним струмом i при використашм режим!в, що розроблеш в дашй poôoTi, були проведен! дослщження динамжи втрат cmhoctî р1зних титв акумулятор1в (свинцевих, шкель-кадопевих, шкель-металгщридних, лтй-юнних) при тривалому циклуванш. Найбшып детально дослщжеш саме останш. Типова крива втрат cmhoctî показана на рис. 1.

riepuii декшька дикл!в супроводжуються швидким падшням розрядно! cmhoctî приблизно на 10% вщ вихщного po3Mipy, шсля чого подальша втрата gmiioctï сповшьнюеться i вщбувасться приблизно по лшшному закону. Шел я 800 циюнв зарядна смн1сть знижуеться приблизно на 30% - вщ 1250 мАг до 840 мАг.

Бшьш повна картина явищ, що призводять до поступового зниження розрядно! cmhoctî елеменТ1В, була отримана при знятп циюпчних вольтамперограм окремих

електрод1в роз1браного акумуля-тора, а також при дослщженш ïx ¡мпедансних cneirrpiB. Форма цикшчних вольтамперограм електрод!В, витягнутих ¡з «cbî-жого» акумулятора i з акумулятора, що витримав велику кшыасть зарядно-розрядних циюив (800 i бшьш), в основному збер1гасгься, але амшптуда nÎKÎB зменшуеться.

Найкв1Стови fliarpaMH ¡мпедансу виявляють наявшеть двох дуг, при чому перша дуга -в межах бшьш високих частот, -практично не змшюеться за формою при тривалому циклуванш, To.ai як друга дуга -при низьких частотах - сильно збшьшуеться в po3Mipax, що евщчить про збшьшення опору електродш. Onip позитивного електроду (на основ! шшнел1 LiCoOi) зростае при циклувашп в значно бшьшому ступеш, шж негативного (вуглецевого) електрода.

РОЗД1Л 4.Ьтульсш режими заряду i можливост ïx використання.

1снують три ocuoBHi аспекта, пов'язаш ¡з застосуванням ¡мпульсних режимш заряду акумулятор1в. Перший стосуеться можливосп прискорення процесу заряду за рахунок застосування ¡мпульсного струму. Другий пов'язаний ¡3 впливом ¡мпульсних режимт заряду на структуру елсктрод1в. Трети! обумовлений використанням ¡мпульсних режим1в для одержання шформацн про поточний стан акумулятора, що заряджуеться, це у свою чергу використовуеться для керування процесом заряду

Перший аспект с специф!чним для систем ¡з поровими електродами. У цьому вщношент поров! електроди принципово вщр1зняються вщ гладких. На гладких електродах застосування ¡мпульсного струму не дае можливос™ збшьшення середньо!' щшыгоетт струму понад граничне значения, обумовлене умовами сташонарно!' дифузп. На вщмшу пщ цього, на порових електродах пщвищення ефективно! щшьносп струму за

Номерциклу

Рис. 1. Динамка падшня разрядно!" cmhoctî елементу SONY US18650Sb npoueci цир^ування

рахунок застосувания ¡мпульсного струму можливе, якщо вони працюють у внутршньодифузшному або внутршньокшетичному режима

Другий аспект дуже специф1чно пов'язаиий ¡3 конкретною х1м1'шою системою акумулятора. При ¡мпульсному режим! заряду, особливо при заряд! складними ¡мпульсами з нерюдами прямого й зворотного напрямку струму, умови фазових перетворень активних компонентов можуть значно в1др!знятися вщ умов, що маюгь мюце при постшнострумовому режим!. Тому вплив ¡мпульсних режнмш на структуру активних матер1алш електрод1в у деяких випадках бувае ¡стотиим (наприклад, у свинцевнх акумуляторах), у той час як в шших воно майже не виявлясться (як у лтй-¡онних акумуляторах).

Третш аспект, нов'язаний з отриманням шформаци про стан об'скту ¡мпульсного впливу, не с специф1чним. У рамках цього аспекту аккумулятор, який заряджаеться, с просто «чорний ящик», що дас якийсь вщгук на зовшшнш вплив. Характер вщгуку визначасться виутр1ШН1М станом «чорного ящика». Використовуючи в1дгук, точшше -шформащю, яку несе в соб! вщгук, для керування чишшком, що впливас, можна через систему зворотного зв'язку активно направите еволющю «чорного ящика» убк досягиення заданого цшьового стану. В принцип!, для цього нав1ть немас необх1дносп знати в деталях внуцпшнш устр1к «чорного ящика» I мехашзми процессе, що протшають у ньому. Проте знания того й ¡ншого створюе додатков| можливосп для шдвищення ефективностп процедури, що вцкористовуеться.

При використанш ¡мпульсних режимов виншеае безмежна р1зномантпсть можливих вapiaнтiв. Може змшюватися тривал1сть ¡мпульст, Тх ампл1туда, скважшсть, самим р!зномаштним чином можуть чергуватися ¡мпульси рпного напрямку 1 т.д. Для того, щоб достатньо рашонально тдшти до вибору параметр!в ¡мпульав, варто виходити хоча б ¡з самих загальних ошнок динамжи процесш, що вщбуваються в акумулятор! при зарядщ. Так наприклад, при надто коротких ¡мпульсах через

акумулятор буде проходити, в основному, нефарадеевський см-шений струм, що не дас приросту заряду. При дуже тривалих ¡мпульсах процес буде наближу-ватися до умов звнчайного по-стшнострумового режиму.

В результат чнелешшх попередшх експеримеитзв з рЬ-ними типами акумулятор1в був вироблений достатньо ефектив-ний вартнт структури зарядних ¡мпульст. Базова форма ¡мпуль-Ыв показана на рис. 2. 1мпульс мав двуфазний характер i складався з трьох компоненте -¡мпульсу, що власне заряджус, наступного за ним, короткого ¡мпульсу оберненоТ спрямованост1, що деполяризус, 1 перюду, що стабшзуе. Амплггуда ¡мпульсу, що заряджус, встановлювалася р1вною або бшыпою, шж нeoбxiднo для заряду акумулятора до його номшалыюУ емиост! за один час, тривал^сть вибиралася в межах в'щ 0,1 секунди до 2,0 секунд.

Лмшптуда ¡мпульсу, що деполяризус, встановлювалась звичайно в декшька ра:ив большою, шж амплитуда ¡мпульсу, що заряджус, а тривал!сть складала декшька

Струм

Рис. 2. Структура складного зарядного ¡мпульсу: Т| - заряжаючий ¡мпульсу: т2 - деполяризуючий ¡мпульс, тз - стабшзуючий перщд

мшсекунд. Тривашсть перюду, що стабшзуе, була в деюлька раз!в бш.ше, чим тривалкть ¡мпульсу, що деполяризуе.

Використанню ¡мпульсного режиму для оргашзацп прискореного заряду конкретного типу акумулятор1в завжди передувала деяка пщгонка парам стрнв ¡мпульс1в, що заряджують, ¡3 там, щоб домогтися максимально! ефеюгнвност1. На вах типах акумулятор!в (кислотних, лужних, лтй-юнних, р!зноман!тно1 емност1 - вщ часткн ампергодини до десятюв ампергодин) вдавалося усшшно здшснювати прочее заряду за терм ¡и менше одше! години.

Надал1 форма застосовуваних ¡мпульЫв була ускладнена. Июля основного ¡мпульсу, що заряджус, подапалося два (а в деяких випадках три) коротких деполяризуючих ¡мпульси, роздшених короткими перюдами стабшзаци. Така модифжащя ¡мпульав дозволила отримати бшьш повну шформашю про поточний стан акумулятора 1 бшьш ефективно керувати процесом заряду ¡, зокрема, моментом його завершения.

Осюльки параметри перехщного процесу змшюються по м![м заряду акумулятора, параметри ¡мпульЫв зарядного струму також не можуть залишатися незмшними. Адаптивна система ¡мпульсного заряду повинна функцюнувати таким чином, щоб на протяз1 всього процесу заряду параметри ¡мпульЫв, що подаються, знаходились би в необхщшй вщповщноей ¡з змшними параметрами переходного процесу.

При подач! на акумулятор одиночного ¡мпульсу струму виникас вщповщний ¡мпульс напруги. Форма його залежить Б1Д типу акумулятора, вш ступеня заряду, а також вщ тривалосп та ампл1туди струмового ¡мпульсу.

А В

Час

Час

Рис. 3. Осцилограми ¡мпульав напруги на евннцевому (А) 4 шкель-кадм1евому (В)

акумулятор!

' ! Г

Час

Час

Рис. 4. Осцилограми ¡мпульав напруги на двох зразках акумулятора лшй-юшюУ системи: Мо1ого1а (А)! ТозЫЬа (В)

На баи тсорп порових слеюроД1в, розвито! в роботах О.С. Ксенжека, виведс! р1в»я1шя для функцп вщгуку електрода на подачу ¡мпульсу, що заряджае, \ провсде; розрахунки теоретично? форми ¡мпульЫв при р1зноман1тних умовах. Формула, и описус криву заряду порового електрода визначено! приведено! товщини (¿) при пода' струмового ¡мпульсу (/) мае вигляд:

, 2

1 + 7Ги

ехр

\ + ~п1 52

Т52

де £ - поляризацш, / - товщина електрода, р - ошр елсктролпу у порах електрода. Т безрозм1рний час. Масштабною одиницею часу слугуе при цьому величина (рСБ /2), де ( 1 Б - вщповщно питома емшеть подвшного шару на поверх» 1 матер1алу електрода т питома поверхня поруватого електрода.

Розраховаш за шею формулою крив! заряду показаш на рис. 5.

Як можно бачити, пр| малих значениях опору на поверхн електродного мaтep¡aлy поляриза цш швидко досягае сташонарногс значення 1 дал! не змшюеться. Пр1 великих значениях опору крив: виходить на дщянку безупинногс росту поляризаци.

Форма експериментально' криво! наростання поляризации при подач1 струмового ¡мпульсу можс дата суттсву ¡нформашю прс характер процеЫв, що проткають в електродах акумулятора. Зображе-на на рис. 6 схема показуе яисний зв'язок М1Ж динамикою процесу заряду ! формою криво!, що описус перехщний процес.

На рис. 6 випадок А вщпо-вщае «пошаровому» режиму заряду, що мае мкце при малому поляризацШному опор! електродного матер1алу. Межа заряду при цьому фронтально поширюеться вщ поверхн! в товщу електрода. Випадок С

- «об'емний» режим заряду. При цьому вся товща електроду заряджуеться р!вно.\ирно. В

- пром!жний режим.

Експернментальн! ¡мпульси напруги в багатьох випадках добре описуються теоретичними залежностями.

При заряд! акумулятор!в лтй-тнно! системи спостер1гасться поступовий перех!д вщ «пошарового» до «об'емного» режиму.

Час. мс

Рис. 5. Теоретична крив! зарядження поруватих электроД1в при включенш поляризуючого ¡мпульса. Цифри на кривих - значення наведено! товщини (6)

к:

А

Рис. 6. Схема процест заряду порового елекгрода: А, В и С показують розподш штенсивност1 процесу всередиш електрода, стрелки 1 заштрихована частина - поширення заряджено! меж!; О - типова форма кривих наростання поляризащйно! напруги (Ур) вшпов1дно для режнм!в А, В и С. Ур, -ом!чие пад!ния напруги РОЗЛ1Л 5.1мпульсний режим заряду як адаптивний пронес.

Ефективн!стъ адаптивного ¡мпульсного режиму заряду в пор!внянш з гтост!йнос1румовим обновлена насамперед тим, що для керування процесом використовусться пот!к оперативно! шформацн про поточний стан акумулятора. При цьому навт немае необхщност! в детальн!й шформацн про мехашзми процес!в, якл

вщбуваються в акумулятор!, а достатня лише фжсашя самих загальннх параметр!в, що можуть простим ! швидким способом анал!зуватися на вщповщшсть заданим критер!ям адап-тацй" ! використовуватися для керування процесом.

Параметри ¡мпульс!в, якими система, що заряджуе, впливас на акумулятор, можуть бути розд!лен! на три категорн вщповщно до !хньо! рсш в процес! заряду.

По-перше, це жорстк! обмеження, за як! система не повинна виходити ш за яких умов. Це може бути, наприклад, гранично припустиме значения напруги або температури.

По друге, це лопчш установки, що визначають, яким чином керуюча система повинна реагувати на ту або шшу реакц!ю об'екта. Наприклад. зменшувати тривал!сть або ампл1туду ¡мпульсу, що заряджуе, якщо ¡вд акумулятора, що заряджуеться, надхо-дить сигнал про прогресуюче шднм-щення напруги.

Рис. 7 Блок-схема адаптивно! зарядно! системи

Третя категор!» параметр[в - це початков! установки, нанриклад, початковин струм заряду I тривалкть зарядного ¡мпульсу. У процес! заряду вд параметри змпноються вщповщно до змши стану акумулятора 1 вщпрацьовуванням керуючою системою лопчних установок.

Для практично!" реатзацц адаптивного ¡мпульсного методу заряду акумулятор1в були розроблеш р13нома-штн! модифжацп зарядних пристрот. Принципова схема цих пристроУв показана на рис. 7. Зарядна система м1стить у соб1 ланцюг, що генеруе заряд-ний ¡мпульс струму, а також ланцюг для генераци ¡мпульав зворотно!" полярност!, контролер, дисплей I клав1атуру.

Вщ батареТ, що заряджуеться, на контролер надходить шформащя про напругу (V), струм (I), температуру (Т), а також команди, що задаються з клав1атури (К). Початков! установки, а також лопка, яка визначае характер змши параметр!в ¡мпульав у залсжност! вщ реакцц акумулятора, що заряджуеться, збернаються в пам'ят! мжро-процесора I можуть, у визначених межах, змшюватися в ход! процесу вщповщно до закладено? програми. На пщстав! заданих внхщних парамстр1в I в1дповщно до вкладено!' програми, контролер видае вцщовши комащш на зарядний 1 деполяризуюч1 панцюги, в результат! чого на акумулятор подаються в передбачешй послщовносп ¡мпульси потр1бпо1 ампл1туди. Периодично контролер аналпуе шформацпо, яка надходить вщ акумулятора, що заряджуеться, на вшювщшсть визначеним критер1ям ¡, вцщовцхно до закладсно'1 програми, змшюс тривалгсть або амплпуду наступних ¡мпулылв. Пронес продовжуеться доти, поки не будугь досягнул значення парам етрт, що вщповщають закшченню процесу заряду.

Як вказувалося вищс, ¡мпульси, ям иодшоться на аккумулятор, що заряджуеться, мають складну форму 1, кр1М основного «заряджуючого» ¡мпульсу, включають ще один або два, а в деяких випадках 1 бшьше, коротких ¡мпульЫв, що деполяризують. Останш виконують двояку роль при здшсненш адаптивного ¡мпульсного режиму заряду. По-перше, вони наймають надлишковий заряд у поверхневому прошарку електроду, саме там, де при дп зарядного ¡мпульсу вщбуваеться найбшьший його приркт. Це сприяе вир1внюванню iнтeнcивнocтi процесу всерсдиж електрода. В акумуляторах Л1Т1Й -¡онно!' системи ¡мпульс, що деполярнзуе, може запоб1гаги видшенню металевого лтю на поверх!» електрода, у випадку кислотних акумулятор1в - зменшувати можливють утворення кисню на позитивному електродк По-друге, вщгук електрода на ¡мпульси, що деполяризують, використовуеться як ¡нформацшний сигнал для керування процесом заряду. Таким сигналом може бути, наприклад, розмф змжи напруги на акумулятор! м!ж двома послщовними ¡мпульсами, що деполяризують.

Реакщя акумулятора на подан! ¡мпульси змшюеться в ход1 процесу заряду. В м!ру збшьшення ступеню заряду електрод^в акумулятора змшюеться Тх поляризащйннй оп!р ¡, вщповщно, зм!нюеться самий характер процесу. За формою кривих наростания поляризацп можна бачити, шо на початкових стад'шх заряду процес йде переважно в «пошаровому» режим!, а до мнця заряду переходить до «об'емного» режиму. РОЗД1Л 6. Вплнв ¡мпульсного адаптивного режиму заряду на характеристики акумулятор1в. Застосування ¡мпульсних адаптивних режим!в для заряду акумуляторш р'пних систем 1 тишв виявило ряд важливих переваг. Так було показано, що процес формування свинцевих акумулятор1в в ¡мпульсному адаптивному режим! може бути скорочений ¡з 44 - 49 годин до 15-24 годин. Тривашсть заряду вах тишв акумулятор!в може бути доведена до 30-60 хвилин. Особливо важливим досто'шством адаптивних ¡мпульс-них режим!в заряду е можливкть значного збшьшення загального терм1ну служби акумулятор!в. Дал! на двох рисунках (рис. 8, 9) показан! приклади пор!вняння результапв циклування акумуля-тор!в при заряд! постшним струмом I в адаптивному ¡мпульсному режим!.

Значне розходження м1ж звичайним поспйно-струмовим режимом заряду I адаптивним ¡мнульсним режимом почииас виявлятися звичайно шеля сотого -сто п'ятидесятого циклу I дап1 зростае.

Загальна втрата емносп з 10-го по 800-й цикл при ¡мпульсному режим1 виявляеться значно меише, шж при постшно-струмовому режими

Так, при заряд! в постшно-струмовому режим! лтй-юнний акумулятор за 800 цикл! в втрачае приблизно 30% емносп, тод! як при заряд! в ¡мпульсному режим! втрата складас менше 10%. У випадку шкель-кадм!евнх батарей ефект ще бьльший.

Значна р1зниця мгж акумуляторами, що заряджаються в р1зних режимах (у

постшно-струмовому 1 в адаптивному ¡мпульсному) виявляеться також у Тх ¡мпедансних характеристиках. Загальний характер ¡мпеданспих залежностей для акумулятор1в, що заряджаються ¡мпульсами, збер!гасться таким же, як 1 при постшно-струмовому режим! заряду. На Д1аграмах Найквкта спостер!-гаються лв! сплюснут! дуги, що взаемно перехре-щуються. У зарядженому стан! ¡мпеданс акумулятор!в помтю б!лыне, шж у розрядженому. По м!р1 циклування ¡мпеданс як окремих електрод1в, так ! аккумулятора в ц!лому зростае. В обох внпадках б!льший внесок у загальну величину ¡мпедансу вносить позитивний електрод (ЬЮоОг). При ¡мпульсному режим! заряду збшьшення опору значно менше (табл. 1).

Таблиця 1

Пор1Вняння значения активно!складовоТ ¡мпедансу при постшно-струмовому ■ при ¡мпульсному режим! заряду

Номер циклу i режим заряду Негативний електрод (LiCo02), Ом см2 Познтнвний електрод (вуглець), Ом см2

«Св1жий» елемент 68 39

800 цикл!в, пост, струм 620 210

800 цнюпв, ¡мпульс 258 89

О 150 300 <50 600 750 900 Номер циклу

Рис. 8. Пор!вняння динамши втрати смиоси лтй-юнно! батаре! SONY US18650S при заряд! постшним струмом i при ¡мпульсному режим! заряду

1300

1000

£ ЯП)

60П

г «0

?! 200

я

о.

is:

1С»

200

500

6С0

300 400 Нэжершсю»

Рис. 9 Пор!вняння динамки спаду емност! при р1зних режимах заряду. Никель-кадмква батарея; иомшальна емшеть 1050 мАч.

Р03Д1Л 7. Вплив ¡мпульсного адаптивного режиму заряду на властивосп електршлн. При ¡мпульсному заряда процес на кожному з електродт йде при ицлыюстях струму ¡стотно бшьших, нш при постшно-струмовому режим ¡. При цьому дскшька раз ¡в в секунду процес заряду перериваегься 1 щораз електрод пщдаеться короткочасному впливу струму зворотного напрямку. Така ¡стотна змша умов не може не позначитися на ход1 електродних процес1в, особливо в тих випадках, коли вони супроводжуються фазовими перетвореннями. Дшсно, при дослщженш електродт за допомогою електронного скануючого мшроскопа було виявлено, що у свинцевому акумулятор! структура електрода при ¡мпульсному заряд! значно вщр1зня€ться вщ структури такого ж електрода, що заряджаеться поспйним струмом. При заряд! постшним струмом формуегься пор1вшшо кругшокрнстал!чна структура, тод1 як при заряд! в ¡мпульсному режим! утворюеться набагато бшыц др1бнозерниста структура. На електродах шкель-кадм1сво1 системи вплив ¡мпульсного режиму заряду також виявляеться в деякому зменшенш розм1р|в кpиcтaлiв, що формуються, але ефект виражений меньш чкко, шж на електродах свинцевих акумулятор!«.

Структура часток матергалу вуглецевих електрод1в лтй-юнних акумулятор1в змшюеться в процес! циклування пор!вняно незначно, незалежно вщ способу заряду, хоча при заряд! в ¡мпульсному режим! матср1ад електрода за ступенем дисперсност! виглядае бшьш однорщним.

Одшсю з численних причин, що призводять при багатократному циклуванш до поступового зннження емност! акумулятор!в, е накопичення на поверхш електрод!в сторопшх для них речовин. Ц1 речовини можуть утворюватися в результат! р!зномаштних поб!чних процеав за учаспо компонетзв електролпу, а також переноситися з протилежного електрода. М!гращя елемент!в в акумулятор! дослщжувалася за допомогою методу рентген!вського м!кроанашзу (ЕРМА). У никель-кадмиевому акумулятор! на кадопевому електрод! при тривалому циклуванш вщбуваеться накопичення окисл!в шкелю в неакгившй форм!, що не беругь участь у струмоутворюючих процесах. На н!келевому електрод!, вицповщно, виявляеться присутшсть зростаючо'1 кшькосп кадмию.

Загальна картина м!грацн елеменпв у лтй-юнному акумулятор! показана в табл. 2.

Таблиця 2

Наявшсть елементт у иуплыюму електрод! лтн-шнного акумулятора на р!зпих етапах циклування (вшеотки)

Елемент «Св!жий» електрод 800 циюпв, заряд пост.струмом 3000 цикл!в, ¡мпульсний заряд

Вуглець 75,9 76,0 75,9

Кисень 4,9 14,1 8,8

Фтор 4,0 4,0 6,6

АлюмшШ 0,0 0,0 0,0

Кобальт 0,0 0,14 0,12

Мщь 0,96 0,66 0,98

Кисень ! фтор потрапляють на вуглецевий електрод при розкладанн! компоненте електролпу, кобальт переходить з позитивного шп!иельного електроду, мщь - ¡з струмопщводш. Як видно, режим заряду - постшно-струмовий або ¡мпульсний - досить слабо впливае на м!грац!ю елеменпв.

Оскшьки «вузьким медем» лтй-юнного акумулятора, визначальним в термин його служби, е позитивний електрод, була дослщжена можливкть використання зм!шано! Ш1ппсл1 складу ЫСоо.2СЮх. Цей материал був синтезований 1 дослщжений. Як материи позитивного електроду вш показав дуже стал! показники. Спад емност! при циклуванш акумуляторт ¡з позитивним електродом на основ! хромовоУ шп!нел!, дошровано! кобальтом, вщбувався дуже повшьно.

висновки

1. Потенцшна тривал!сть терм!ну служби акумулятора, обумовлена илькютю повторних цикл1в заряду-розряду, як! в!н спроможний витримати без ютотноУ втрати емност!, залежить вщ велико! к!лькост! причин, ! в тому числи вщ режиму процесу заряду. Керуючи режимом заряду, можна значно збшьшити циклуемкть акумулятор!в р!зномаштних тип!в.

2. Обгрунтовано, дослщжено та оттизовано адаптивний ¡мпульсний принцип заряду акумулятор!в, заснований на тому, який пристр!й, що заряджае, пост!йно одержус шформашю про поточний стан та про динамгпшП вщгук акумулятора на заряджуюч! ¡мпульси, ! ця шформащ'я використовусться для управлшня процесом заряду. Акумулятор включзеться в ланцюг зворотного зв'язку ¡3 зарядним пристроем, чим ! забезпечусться адаптивний характер процесу.

3. Опрацьоваш параметри адаптивного ¡мпульсного режиму заряду, при яких кшьмсть цикл!в, що витримуються акумулятором без значно! втрати емност!, може бути в декшька раз!в б!льше, шж при звичайному режим! заряду постшним струмом. Ефект спостер!гаеться для акумулятор1в р!зноман!тних тип!в.

4. Доведено, що заряд акумулятора ¡мпульсами спец!ально! форми з застосуванням адаптивного режиму дозволяе значно пщвищити середне значення зарядного струму в пор!внянн! г\ звнчайним режимом заряду пост!йним струмом ¡, вщповщно, скоротити тривал!сть процесу заряду до 30 - 60 хвилин. У 2 - 3 рази може бути прискореннй процес формування свинцевих акумулятор!в.

5. 1з застосуванням рЬиомаштних метод!в електрох1мтнкх дослщжеиь вивчена дниамжа спаду смносп л!т!й-!онннх акумулятор!в при поспйно-струмовому ! при ¡мпульсному адаптивному режимах заряду. Показано, що в загальшй втрат! емност! при багатократному циклуванш акумулятора домшуюча роль належить позитивному електроду.

6. Встановлено, що при ¡мпульсному адаптивному режим! заряду структура електрод!в свинцевих \ н!кель-кадм!евих акумулятор!в формуеться б!льш др1бнозернистою, шж при заряд! постшним струмом. На структуру електрод!в лтй-юшшх акумулятор1в режим заряду впливае меньш суттево.

7. Дослщжено форму ¡мпульав напруги, що виникають на акумулятор! при подач! струмового ¡мпульсу, ! диналпка зм!ни параметрш ¡мпульс!в у процес! адаптивного режиму заряду. Показано, що форма ¡мпульав мае сво! особливост! для р!зних систем акумулятор!в, а також залежить вщ ступеня заряжсност1 акумулятора. Вироблено критерп вибору параметр1В ¡млульсщ ! !хньо! зм!ни в процес! заряду акумулятор!в р!зномаштних систем: свинцевих, шкель-кадапевих, шкель-металопдридних, лтй-юнних.

8. Виходячи з теори порових електрод1в розглянут! можлпв! мехашзми процесу заряду: «пошаровий», «об'емний» I пром!жний. Показано, що в м!ру зб!льшення ступеню заряду лтй-юнних акумулягор!в вибуваеться поступовий перехщ вщ «пошарового» режиму до «об'емного».

9. Розроблено зарядиi пристро!, засновал! на використанш MiKponpouecopie, як1 забезпечують рсал1зацпо адаптивного ¡мпульсного процесу заряду. Пристро! знайшли досить широке практичне застосування: продано бшя 30 тисяч зарядних пристроУв.

10. Виготовлсно i дослщжено лтй-юнний акумулятор ¡з модифжованим позитивним електродом складу [лСоогСЮ,, . Модифжований електродний материал показав достатньо висою характеристики.

11. Встановлено, що в ход! багаторазового циклувапня вщбуваеться мпращя елеметзв з одного електроду на шший, наприклад, кадм1Ю на шкелевий i »¡келю на кадмквий. Проведено кшьюсш дослщження npouecie MirpauiT в акумуляторах шкель-кадмювоУ i лггш-юнно! системи.

ОСНОВН11Й 3MICT ДИСЕРТАЦН ВИКЛАДЕНО У РОБОТАХ:

1. Zhang D., Popov В., Podrazhansky Y., Arora P., White R. Cobalt doped chromium oxides as cathode materials for secondary lithium batteries // J. of Power Sources. - 1999. -Vol.83.-P.121-127.

2. Подражанский Ю.М., Шембсль E.M. Влияние импульсных режимов заряда на характеристики аккумуляторов // Вопросы химии и химической технологии. - 2000. -№ 1. - С.202-205.

3. Патент № 4,829,225, США, МКИ H02J 7/04. Rapid battery charger, discharger and conditioner / Podrazhansky Y., Popp Ph. W. (США); Electronic Power Devices Corp. - № 790.461. Заявл. жовт. 23, 1985. Опубл. трав. 9, 1989, НКИ 320/14. - 9 с.

4. Патент № 5,307,000, США, МКИ H02J 7/10. Method and apparatus for charging, thawing, and formatting a battery / Podrazhansky Y., Popp Ph. W. (США); Electronic Power Technology, Inc. -№ 824,113. Заявл. ci4. 22, 1992. Опубл. KBiT. 26, 1994, НКИ 320/14,- 14 c.

5. Патент № 5,504,415, США, МКИ H02J 7/00. Method and apparatus for automatic equalization of series-connected batteries / Podrazhansky Y., Podrazhansky M., Golod M. (США); Electronic Power Technology, Inc. - № 162,581. Заявл. груд. 3, 1993. Опубл. kbit. 2,1996, НКИ 320/18. - 10 с.

6. Патент № 5,694,023, США, МКИ НОШ 10/44. Control and termination of a battery charging process / Podrazhansky Y., Tsenter В. (США); Advanced Charger Technology, Inc. -№ 677,483. Заявл. лип. 10,1996. Опубл. груд. 2, 1997, НКИ 320/21. - 14 с.

7. Патент № 5,889,385, США, МКИ H02J 7/0. Equalization of series-connected cells of a battery using controlled charging and discharging pulses / Podrazhansky Y-, Podrazhansky M., Kusharskiy Y. (США); Advanced Charger Technology, Inc. - № 914,674. Заявл. серп. 19, 1997. Опубл. бер. 30,1999, НКИ 320/130. - 17 с.

8. Tsenter В., Podrazhansky Y. Charging Algorithm for Rapid Battery Charge // Proc. 188th Meeting of the Electrochemical Soc. - Chicago (USA). - Oct. 1995.

9. Zhang D., Popov В., Haran В., White R., Podrazhansky Y. Capacity Fade Studies of Li-ion Batteries // Proc. 194th Meeting of the Electrochemical Soc. - Boston (USA). - Nov. 1998.

10. Zhang D., Popov В., Haran В., White R., Podrazhansky Y. Studies on Capacity Fade of Lithium-ion Batteries // Proc. 196th Joint International Meeting of the Electrochemical Soc. - Honolulu (USA). - Oct. 1999.

11. Popov В., Haran В., Durairajan A.,White R., Podrazhansky Y., Cope R. Studies on Capacity Fade of Lithium-ion Batteries Cycled Using Pulse and DC Charging Protocols // Proc. 197th Meeting of the Electrochemical Soc. - Toronto (Canada). - May. 2000.

12. Popov В., Durairajan A., Podrazhansky Y., Cope R. Capacity Fade of Li-ion Cells. Comparison of DC and ENREV Charging protocols // Proc. 15th Annual Meeting on Batteries. - Long Beach (USA). - Jan.2000. - P. 185-191.

АНОТЛЦ1Я

Подражанськнй Ю. М. Викорнстання ¡мпульсннх режнм!п заряду для пщвищення експлуаташйннх параметров акумулиторш. - Рукопис.

Дисертацц на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спешальшспо 05.17.03 - техшчна електрох1м!я. Украшський державний х1мжо-технолопчний ушперситет, Дшпропетровськ, 2000 р.

Захищасться комплекс досшджень можлнвостей полшшення експлуатацшних параметр1в рпномаштних тив1в акумуляторгв за рахунок застосування ¡мпульсннх режимов заряду. Розроблено ¡мпульсний адаптнвний принцип заряду акумулятор1в, грунтуеться на тому, що пристрой, який заряджуе, постшно отримус шформацпо про поточний стан 1 дшамиший вщгук акумулятора на заряджуюч! ¡мпульси 1 використовуе цю шформацпо для управлшня процесом заряду. Таким чином акумулятор включаеться в ланцюг зворотного зв'язку ¡3 зарядним пристроем, що 1 забезпечуе адаптивний характер процесу. Показано, що викорнстання зарядних ¡мпульав спешалыю! форми дае змогу значно прискорити процес заряду акумулятора, а також у 1,5-3,0 рази продовжити термш IX служби у поршнянш з1 звичайпим режимом заряду постшним струмом. Запропоновано пояснения ефекту прискорення процесу заряду акумулятор1в в адаптивному ¡мпульсному режим1. Дослщжен! структур!» змши, що в1дбуваються на електродах акумулятора при циклуванш.

Ключов! слова: акумулятор, адаптивний режим, втрата емностз, електрод, зарядка, заряджуючий прнстр1й, £мн1сть, ¡мпульсний режим, циклування.

АННОТАЦИЯ

Подражанскин Ю. М. Использование импульсных режимов заряда для повышения эксплуатационных параметров аккумуляторов. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.03 - техническая электрохимия. Украинский государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, 2000 г.

Защищается комплекс исследований возможности улучшения эксплуатационных характеристик аккумуляторов различных типов за счет применений импульсных режимов заряда. Разработан импульсный адаптивный принцип заряда аккумуляторов, основанный на том, что заряжающее устройство постоянно получает информацию о текущем состоянии и динамическом отклике аккумулятора на зарядные импульсы и использует эту информацию для управления процессом заряда. Таким образом заряжаемый аккумулятор включается в цепь обратной связи с зарядным устройством, чем и обеспечивается адаптивный характер процесса. Показано, что использование импульсов специальной формы позволяет значительно ускорить процесс заряжения, а также в 1,5-3,0 раза увеличить циклируемость, а следовательно, и срок службы аккумулятора, по сравнению с обычным режимом заряда постоянным током. Положительный эффект от применения адаптивного импульсного режима наблюдается при зарядке аккумуляторов различных систем: свинцовых, никель-кадмиевых, металл-гндридных, литий-ионных.

Исследована форма импульсов напряжения, которые возникают на аккумуляторе при подаче импульса тока, и динамика изменения параметров импульсов в процессе адаптивного режима заряда. Показано, что форма импульсов имеет свои особенности для различных систем аккумуляторов, а также зависит от степени заряженности аккумулятора. Получены критерии выбора параметров импульсов и их изменения в процессе заряда аккумуляторов различных систем: свинцовых, никель-кадмиевых, никель-металлогидридных, литий-ионных.

Исходя из теории пористых элетродов, исследованы возможные механизмы процесса заряда: «поверхностный», «объемный» и промежуточный. Показано, что при увеличении степени заряда литий-ионных аккумуляторов происходит постепенный переход от «поверхностного» режима к «объемному».

Изготовлен и исследован литий-ионный аккумулятор с модифицированным положительным электродом состава УСоогСгО*. Модифицированный электродный материал показал достаточно высокие характеристики.

Установлено, что в ходе многократного циклирования происходит миграция элементов с одного электрода на другой, например, кадмия на никелевый и никеля на кадмиевый. Проведено количественное исследование процессов миграции в аккумуляторах никель-кадмиевой и литий-ионной систем.

Предложено объяснение эффекта ускорения процесса заряжения аккумуляторов в адаптивном импульсном режиме. Показано, что по мере увеличения степени заряжения литий-ионных аккумуляторов происходит постепенный переход от «послойного» режима к «объемному». При этом меняется характер отклика на подаваемый импульс. Динамика изменений параметров импульсов в процессе адаптивного режима заряда детально исследована, и на основании анализа полученных результатов выработаны критерии выбора параметров заряжающих импульсов.

Методами циклической вольтамперометрии и спектроскопии импеданса изучена динамика процессов потери емкости при циклировании литий-ионного аккумулятора. Подтверждена доминирующая роль положительного электрода в общей величине потери емкости при многократном циклировании аккумулятора.

Проведено сравнение структурных изменений, происходящих с активными компонентами аккумуляторов в процессе циклирования при заряжении постоянным током и в импульсном режиме. Установлено, что в процессе многократного циклирования происходит миграция элементов с одного электрода на другой, например, кадмия на никелевый и никеля на кадмиевый. Проведены количественные исследования процессов миграции в аккумуляторах никель-кадмиевой и литий-ионной системы. Установлено, что при импульсном адаптивном режиме заряда структура электродов свинцовых и никель-кадмиевых аккумуляторов формируется более мелкозернистой, чем при заряде постоянным током. На структуру электродов литий-ионных аккумуляторов режим заряда влияет меньше.

Разработаны зарядные устройства, основанные на использовании микропроцессоров, которые обеспечивают реализацию адаптивного импульсного процесса заряда. Устройства нашли достаточно широкое практическое применение, продано более 30 тысяч зарядных устройств.

Ключевые слова: аккумулятор, адаптивный режим, емкость, заряд аккумулятора, зарядное устройство, импульсный режим, потеря емкости, циклирование, электрод.

SUMMARY

Podrazhansky Y. M. Usage of impulse mode of charge for raising storage battery performance. - Manuscript

Dissertation on search for a scientific degree of the candidate of engineering sciences on the speciality 05.17.03 - engineering electrochemistry. Ukrainian State University of Chemical Technology. Dniepropetrovsk, 2000.

The object of defense is a complex of investigations of the possibilities to raise the performance features of various types of storage batteries by applying impulse mode of charging. An adaptive principle of charging storage batteries is proposed and the devices for

performing the process of charging in accordance with this principle are elaborated. In the course of charge the device (charger) uninterruptedly obtains information about current state and dynamic response of the battery upon charging impulses and uses this information to control the process. Thus the storage battery is involved in a feedback circuit with the charger and in such a way the adaptive mode of charging process is being provided. The charging of a battery in an adaptive mode with the use of short impulses of special form enables speed up the process significantly in comparison with the standard direct current mode of charge. Apart from that the adaptive impulse mode of charging allows to prolong the life span of the batteries for 1.5 - 3 times due to decrease of the rate of capacity fade. An explanation of the effects of the adaptive impulse method of charging is proposed. The changes of structure of the electrodes during charging and the phenomena of migration of some chemical components between the electrodes are investigated with the help of various experimental methods.

The elaborated charges had found rather broad application.

Keywords: storage battery, electrode, charge, cycling, charger, capacity, capacity fade, impulse mode, adaptive mode.