Технология правильного хранения аккумуляторов и батареек по рекомендациям FANSO и EVE Energy

22 апреля

Сергей Миронов  (КОМПЭЛ)

Даже самый лучший литиевый источник тока с превосходными характеристиками может не оправдать ожиданий, если долгое время хранился без соблюдения надлежащих условий. Технология, основанная на рекомендациях таких известных производителей ЛХИТ, как компании FANSO и EVE Energy, поможет организовать правильный процесс хранения батареек и аккумуляторов.

При производстве устройств, имеющих в своем составе литиевые химические источники тока (ЛХИТ), к которым относятся батарейки и аккумуляторы, у предприятия возникает необходимость их временного хранения. От того, как будет организован этот процесс, зависит их надежность, долговечность работы всего устройства, а следовательно и общий уровень качества производимой продукции. Может случиться и так, что оплаченные и хранящиеся на складе батарейки или аккумуляторы успеют выйти из строя еще до того как будут установлены в устройство.

Хранение литиевых химических источников тока имеет свои особенности, основные сведения о которых содержатся в технической документации на ЛХИТ, а развернутые можно найти в отдельном документе от производителя, например, у FANSO и EVE Energy есть “Требования безопасности, правила транспортирования, хранения и эксплуатации ЛХИТ”.

В технической документации эти сведения могут быть написаны мелким шрифтом, а дополнительный документ надо еще найти или запросить, поэтому к данной информации не всегда относятся со всей серьезностью, надеясь, что ничего особенного с батарейками и аккумуляторами не произойдет, если они просто полежат какое-то время на складе. И в этом случае все будет зависеть от времени и условий хранения, а также от того, будут ли с ними осуществляться какие-либо дополнительные манипуляции.

Температура

Параметры и степень сохраняемости ЛХИТ очень сильно зависят от температуры. Для длительного хранения на складе правильней ориентироваться на условия, указанные в документации на элемент питания, поскольку при их соблюдении сохраняемость ЛХИТ будет лучше.

Кроме того, с условиями хранения связан и гарантийный вопрос, что особенно важно для аккумуляторов из-за необходимости их периодического циклирования при длительном хранении (подробнее об этом будет сказано в разделе ”Особенности хранения литиевых аккумуляторов”).

Гарантия на ЛХИТ и другие компоненты также предоставляется компанией-производителем, однако нужно понимать, что химические источники тока даже при хранении в идеальных условиях деградируют из-за саморазряда. При этом основные параметры с течением времени ухудшаются. Не следует ожидать, что после хранения год и более ЛХИТ полностью обеспечит параметры, указанные в технической документации. Они приводятся только для нового источника тока, который хранился не более 2-х месяцев с момента изготовления при правильных условиях (ГОСТ Р МЭК 60086-1-2019 «БАТАРЕИ ПЕРВИЧНЫЕ. Часть 1. Общие требования»). Более того, некоторые производители считают батарейку «свежей», если прошло не более 30 суток с даты производства. Поэтому различия между реальными параметрами и указанными в документации после длительного хранения — это нормальное явление, и гарантия предоставляется с учетом этих изменений.

Хотя ЛХИТ и обладают самой малой скоростью деградации, тем не менее, она есть и тоже зависит от условий хранения. Например, для распространенного типа цилиндрических литий-тионилхлоридных батареек бобинной конструкции скорость саморазряда в нормальных условиях составляет не более 1% в год, но при повышении температуры до 30…40°С она уже повысится до 3…6% в год, и при этом произойдет более глубокая пассивация элемента тока. А такое значение температуры вполне достижимо, если источник тока хранятся на верхних стеллажах склада в летний период. После такого хранения в большинстве случаев батарейку придется депассивировать по определенной методике, в процессе чего будет дополнительно утеряна часть энергии элемента и возникнут производственные расходы.

Влажность

Она также имеет значение, хотя оказывает влияние меньше и в более отдаленной перспективе. Дело в том, что батарейки не имеют абсолютной герметичности, поэтому находящаяся в воздухе влага проникает внутрь элемента и расходует часть активного вещества. Некоторые источники тока, рассчитанные на долгий срок службы (от 10 лет и более) изготавливаются в специальном металлостеклянном корпусе с максимальной герметичностью, а есть и ряд ЛХИТ, имеющих пластиковые диэлектрические вставки между анодом и катодом. У этих батареек степень герметичности ниже, но они имеют меньшую стоимость и рассчитаны на срок эксплуатации до 5…7 лет.

Особенности хранения литиевых батареек (первичных ХИТ)

Наиболее популярными литиевыми батарейками являются литий-диоксидмарганцевые и литий-тионилхлоридные элементы различного конструктивного исполнения: дисковые/цилиндрические, бобинные/спиральные.

При их длительном хранении основными факторами, влияющими на сохраняемость, являются температура и влажность среды. Оптимальными являются нормальные условия в проветриваемом помещении с температурой не выше 23…25°С и относительной влажностью воздуха 40…80%.

Для максимальной сохраняемости желательно хранить такие элементы в сухом помещении (с минимальной влажностью) и температурой ниже 23°С (таблица 1). При пониженной температуре уже может потребоваться кондиционирование и охлаждение помещения, а это — дополнительные затраты на электроэнергию, что может быть неоправданно экономически. В любом случае температура хранения литиевых батареек должна быть ниже 30°С.

Таблица 1. Типовая скорость саморазряда литий-тионилхлоридных батареек

Если литий-тионилхлоридные элементы хранятся более 6 месяцев, а затем предполагается их использовать в устройствах с повышенным потреблением тока, составляющим десятки и сотни мА непрерывно или импульсно, то ЛХИТ этого типа следует перед использованием депассивировать по рекомендованной производителем методике. О пассивации и депассивации более подробно сказано в статье “Секреты депассивации литиевых батареек FANSO EVE Energy”. В ней же содержится информация о методике депассивации.

Если же батарейка будет использоваться в режиме микротоков, составляющих единицы-десятки микроампер, то в подавляющем большинстве случаев депассивация не требуется.

Особенности хранения литиевых аккумуляторов (вторичных ХИТ) 

По типу химической реакции все литиевые аккумуляторы являются литий-ионными (Li-Ion). Однако в зависимости от агрегатного состояния электролита и материалов, используемых для изготовления катода/анода, выделяют еще несколько типов. Наиболее популярными из них являются литий-полимерные (литий-ионные полимерные, Li-Pol), литий-железофосфатные (LiFePO₄) и так далее. Основные требования к условиям хранения этих аккумуляторов схожи и, как правило, они указываются в технической документации и/или в отдельном документе, например: “Требования к хранению, транспортированию и обращению литиевых аккумуляторов”.

Основная особенность литиевых аккумуляторов заключается в том, что они являются перезаряжаемыми ХИТ, которые относятся 9 классу опасности (как, впрочем, и литиевые батарейки). А поскольку их можно перезарядить, то можно и управлять степенью их заряженности. В связи с этим производители аккумуляторов, чтобы следовать правилам о международной дорожной перевозке опасных грузов (ДОПОГ), вынуждены отправлять свою продукцию в недозаряженном состоянии.

В соответствии с указанными правилами, аккумуляторы поставляются заряженными не более чем на 30% от номинальной емкости, поэтому при их получении в течение 10 дней необходимо провести зарядку до 50…70%, если предполагается дальнейшее хранение или до 100%, если использование в устройстве произойдет сразу.

С чем же связаны такие положения? Дело в том, что литиевые аккумуляторы, в зависимости от типа и внешних условий, имеют типовое значение скорости саморазряда до 5…10% в месяц, в то время как срок поставки продукции от изготовителя до потребителя может доходить до нескольких (а при морской доставке из Китая — и 2…3 месяца с даты изготовления). Получается, что у потребителя эти аккумуляторы могут оказаться в состоянии уже практически разряженном или очень близком к этому.

Продолжительное нахождение литиевых аккумуляторов в разряженном состоянии ведет к ускоренной деградации основных параметров и даже ко вздутию корпуса. Иногда это наблюдается у литий-полимерных аккумуляторов в виде паучей (в мягкой оболочке). Поэтому при получении такие ЛХИТ необходимо зарядить. Но, еще раз подчеркнем, заряжать их следует до 50…70%, если предполагается хранение на складе. Также литиевым аккумуляторам не пойдет на пользу постоянно находиться в полностью заряженном состоянии, поскольку и в этом случае у них может происходить деградация параметров. По своей сути они идеальны для циклического режима работы без глубокого разряда.

Хранить литиевые аккумуляторы следует в сухом вентилируемом помещении с относительной влажностью не выше 75% при уровне заряда около 50…70%, а допустимое время хранения зависит от температуры окружающей среды:

1. -20…60°С – не более 1 месяца;
2. -20…45°С – не более 3 месяцев;
3. -20…25°С – не более 12 месяцев.

Это типовые значения. Для аккумуляторов разных типов они могут отклоняться в ту ли иную сторону.

Таким образом, аккумуляторы правильно хранить при температуре, не превышающей 25°С (а лучше при более низкой). Из-за повышенной температуры у них наблюдается ускоренный саморазряд. По истечении срока, указанного в пунктах 1 и 2, аккумуляторы следует разрядить и вновь зарядить, то есть провести один цикл разряда-заряда. А при хранении в нормальных условиях (пункт 3) этот цикл следует проводить через каждые 6 месяцев, поддерживая напряжение 3,7…4,0 В, что и соответствует заряду примерно в 50% …70%.

Параметры разряда и заряда всегда должны соответствовать значениям, указанным в документации. Например, для литий-полимерных аккумуляторов рекомендован типовой режим разряда током 0,2C до нижнего граничного напряжения 2,75 В. Оно зависит от наличия/отсутствия платы защиты. В аккумуляторе без платы защиты (для ячейки) нижний порог обычно составляет 2,75 В, а при наличии этой платы возможно другое значение. Дальнейший заряд следует осуществить током 0,2C до напряжения 3,7…4,0 В.

Если не следовать этим рекомендациям, то считается, что условия хранения не соблюдаются, и гарантийные обязательства на такой аккумулятор не распространяются. В этом и заключается важное требование к хранению аккумуляторов (периодическое циклирование): ЛХИТ могут выйти из строя, просто перележав на складе дольше определенного срока.

Периодически возникают ситуации, когда после длительного периода хранения аккумулятора на складе установка его в изделие невозможна, потому что корпус неестественно вздулся, а напряжение стало существенно ниже 2,5 В или вообще равно 0 В. На этом основании принимается неверное решение, что закупленная продукция была бракованной, хотя это совершенно не соответствует действительности, а причина кроется в нарушении технологии хранения.

Плата защиты ЛХИТ

Литиевый аккумулятор может иметь встроенную плату защиты или быть без нее, представляя собой простую ячейку (рисунки 1 и 2).

Рис. 1. Ячейка с платой защиты (а) и ячейка без нее (б)

Рис. 2. Типовая схема платы защиты PCM

Плата защиты в самом простом варианте исполнения контролирует нижний и верхний пороги напряжения на ячейке и ток разряда, а также осуществляет отключение от нагрузки или зарядного устройства при достижении предельных значений по напряжению (2,75 и 4,2 В) и току. Поэтому если аккумуляторы с платой защиты долго хранились на складе, при их проверке по выходному напряжению может оказаться, что аккумулятор имеет выходное напряжение, равное 0 В. Скорее всего, это свидетельствует о том, что напряжение на ячейке достигло своего минимального уровня или даже стало еще ниже, и сработала плата защиты, отключив ячейку (выход аккумулятора) от нагрузки. Но напряжение на самой ячейке еще имеется. Иными словами, аккумулятор достиг уровня глубокого разряда со всеми вытекающими отсюда последствиями. При хранении не следует доводить его до такого состояния.

Важно учесть

Емкость аккумулятора не является постоянной величиной в течение всего срока хранения и эксплуатации. При каждом цикле заряда-разряда ЛХИТ безвозвратно теряет часть емкости (все аккумуляторы обладают ограниченным количеством этих циклов). Количество циклов заряда-разряда указано в спецификации (технической документации) на аккумулятор. При достижении указанного числа емкость аккумулятора может составлять не более 0,7 А⋅ч от первоначальной, что составляет потерю до 30%. На скорость потери емкости также влияют токи заряда и разряда. Если они выше, то деградация происходит быстрее. Допускать превышение значений допустимых токов, указанных в спецификации на аккумулятор, нельзя.

Потеря емкости аккумулятора напрямую зависит от условий хранения и эксплуатации. Ее снижение с течением времени не является производственным браком. Чтобы узнать допустимое значение этого параметра, ознакомьтесь со спецификацией на аккумулятор или обратитесь к производителю.

На литиевые аккумуляторы существует нормативный документ – ГОСТ Р МЭК 61960-3-2019 “Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной или другие некислотные электролиты. Литиевые аккумуляторы и батареи для портативных применений. Часть 3. Призматические и цилиндрические литиевые аккумуляторы и батареи”. В нем указаны методики испытаний литиевых аккумуляторов и допустимое ухудшение параметров, таких как потеря емкости, при различных условиях, в зависимости от времени хранения, температуры эксплуатации, тока разряда и других.

Если оказалось, что по каким-либо причинам хранившиеся на складе ЛХИТ все-таки вышли из строя и не подлежат дальнейшему использованию, их следует утилизировать строго в соответствии с действующими нормами и правилами.

Надеемся, что эта статья вкупе с материалами по ссылкам, а также информация, содержащаяся в нормативных документах (ГОСТах), поможет вам организовать правильное хранение литиевых химических источников тока и исключить ситуации существенного снижения их качества.

Дополнительные материалы

1. Требования безопасности, правила транспортирования, хранения и эксплуатации ЛХИТ
2. Требования к хранению, транспортированию и обращению литиевых аккумуляторов
3. Секреты депассивации литиевых батареек FANSO EVE Energy