Specificații privind încărcarea / descărcarea bateriei LiFePO4, avantaje explicate

În timp ce bateriile Li-Ion și Litiu polimer electrolit (LiPo) au o densitate energetică de neegalat, bateriile pe bază de litiu sunt costisitoare de producție și necesită o manipulare meticuloasă, împreună cu o încărcare precaută.

Odată cu avansarea nanotehnologiei, procesul de fabricație a electrodului catodic pentru aceste baterii a cunoscut o îmbunătățire substanțială.

Pauza prin LiFePO de mare încărcare bazată pe nanotehnologie₄celulele sunt mai avansate decât celulele tradiționale Li-ion sau Lipo.

Să învățăm mai multe:

Ce este LiFePO₄Baterie

Bateria litiu-fosfat de fier (LiFePO₄baterie) sau baterie LFP (ferofosfat de litiu), este o formă de baterie litiu-ion care folosește LiFePO₄ca material catodic (în interiorul bateriilor, acest catod constituie electrodul pozitiv) și un electrod din grafit de carbon având un suport metalic care formează anodul.

Densitatea energetică a LiFePO₄este mai mic comparativ cu chimia convențională a oxidului de litiu cobalt (LiCoO 2), precum și prezintă o tensiune de lucru mai mică.

Cel mai crucial dezavantaj al LiFePO₄este conductivitatea sa electrică redusă. Ca urmare, fiecare dintre LiFePO₄catodurile luate în considerare sunt în realitate LiFePO₄/ C.

Datorită costurilor mai mici, a toxicității minime, a performanțelor specificate cu precizie, a stabilității extinse etc. LiFePO₄a devenit popular în ceea ce privește numărul de aplicații bazate pe vehicule, aplicații staționare la scară utilitară și, de asemenea, în aplicații invertor, convertor.

Avantajele LiFePO₄Baterie

Celulele nano-fosfat iau avantajele celulelor tradiționale de litiu și le îmbină cu avantajele compușilor pe bază de nichel. Toate acestea se întâmplă fără a experimenta dezavantajele ambelor părți.

Acest ideal Baterii NiCd au mai multe avantaje precum:

• Siguranță - Nu sunt inflamabile, astfel încât nu este nevoie de un circuit de protecție.
• Robuste - Bateriile au o durată de viață ridicată și o metodă standard de încărcare.
• Toleranță ridicată la sarcini grele și încărcare rapidă.
• Au o tensiune de descărcare constantă (o curbă de descărcare plană).
• Tensiune mare a celulei și auto-descărcare redusă
• Puterea superioară și densitatea compactă a energiei

Diferența dintre LiFePO₄și baterie Li-Ion

Convenţional Celulele Li-ion sunt echipate cu o tensiune minimă de 3,6 V și o tensiune de încărcare de 4,1 V. Există o diferență de 0,1 V la ambele tensiuni cu diferiți producători. Aceasta este principala diferență.

Celulele nano-fosfat au o tensiune nominală de 3,3 V și o tensiune încărcată suprimată de 3,6 V. Capacitatea normală de 2,3 Ah este destul de comună atunci când este opusă capacității de 2,5 sau 2,6 Ah oferite de celulele Li-Ion standard.

Cea mai proeminentă diferență este în greutate. Celula nano-fosfat cântărește doar 70 g, în timp ce omologul său, celula Sony sau Panasonic Li-Ion are o greutate de 88 g și respectiv 93 g.

Principalul motiv pentru aceasta este prezentat în Figura 1, unde carcasa celulei nano-fosfat avansate este realizată din aluminiu și nu din tablă de oțel.

În plus, acest lucru prezintă un alt avantaj față de celulele convenționale, deoarece aluminiul este mai bun la îmbunătățirea conducerii căldurii din celulă.

Un alt design inovator este carcasa care formează terminalul pozitiv al celulei. Este construit cu un strat subțire de material feromagnetic care formează contactele reale.

Specificații de încărcare / descărcare și funcționare

Pentru a preveni deteriorarea prematură a bateriei, vă recomandăm să aplicați curentul / tensiunea maximă admisă de încărcare, în cazul în care ați fost nevoie să verificați specificațiile din fișa tehnică.

Micul nostru experiment a dezvăluit proprietățile bateriei schimbate. La fiecare ciclu de încărcare / descărcare, am înregistrat o scădere a capacității în jur de 1 mAh (0,005%) din capacitatea minimă.

La început, am încercat să ne taxăm LiFePO₄celula la 1 C (2,3 A) și setați valoarea de descărcare la 4 C (9,2A). În mod uimitor, pe parcursul secvenței de încărcare, nu a existat o creștere a temperaturii celulei. Cu toate acestea, în timpul descărcării, temperatura a crescut de la 21 ° C la 31 ° C.

Testul de descărcare pentru 10 C (23 A) a mers bine cu o creștere înregistrată a temperaturii celulei de 49 ° C. Odată ce tensiunea celulei s-a redus la 4 V (măsurată sub sarcină), bateria a furnizat o tensiune medie de descărcare (Um) de 5,68 V sau 2,84 V pe fiecare celulă. Densitatea energetică a fost calculată la 94 Wh / kg.

La același interval de dimensiuni, celula Sony 26650VT prezintă o tensiune medie mai mare de 3,24 V la o descărcare de 10 C cu o densitate de energie mai mică de 89 Wh / kg.

Aceasta este mai mică decât LiFePO₄densitatea celulei. Diferența poate fi atribuită scăderii greutății celulare. Dar, LiFePO₄celulele au performanțe semnificativ mai mici decât celulele LiPo.

Acesta din urmă se aplică frecvent circuitelor de modelare și au o tensiune medie de descărcare de 3,5 V sau mai mare la 10 C. În ceea ce privește densitatea energiei, celulele LiPo au, de asemenea, avantajul cu intervale cuprinse între 120 Wh / kg și 170 Wh / kg .

În următoarea noastră examinare, am acuzat în totalitate LiFePO₄celule la 1 C și le-au răcit mai târziu la -8 ° C. Descărcarea care a urmat la 10 ° C a avut loc la temperatura camerei, care este în jur de 23 ° C.

Temperatura de suprafață a celulelor a crescut la 9 ° C după aceea. Cu toate acestea, temperatura internă a celulei trebuie să fi fost semnificativ mai scăzută, deși măsurarea sa directă nu a fost posibilă.

În Figura 2, puteți vedea tensiunea terminală (linia roșie) a celulelor răcite scufundate la început. Pe măsură ce temperatura a crescut, a revenit la același nivel ca și când testul a fost efectuat cu celulele la temperatura ambiantă.

În mod surprinzător, diferența de temperatură finală este scăzută (47 ° C față de 49 ° C). Acest lucru se datorează faptului că rezistența internă a celulelor este dependentă de temperatură. Asta înseamnă că atunci când celulele sunt reci (temperatură scăzută), se disipează intern mult mai multă putere.

Următoarea examinare a fost legată de curentul de descărcare, unde a crescut la 15 C (34,5 A), celulele prezentând mai mult decât capacitatea lor minimă, deoarece temperatura a crescut la 53 ° C de la 23 ° C.

Testarea capacității de curent extrem a LiFePO₄Celulele

V-am arătat o configurație simplă a circuitului în Figura 3. Am folosit un circuit cu rezistență scăzută pentru a măsura nivelurile de curent de vârf.

Combinația de rezistențe, inclusiv rezistența de șunt de 1 mΩ, rezistența încorporată a chiuvetei de curent 100 A și asociații săi (rezistențe de cablu și rezistențe de contact în conectorul MPX).

Rezistența extrem de scăzută a împiedicat descărcarea unei singure încărcări să depășească 65 A.

Prin urmare, am încercat să delegăm măsurătorile de curent mare folosind două celule în serie ca mai înainte. Datorită acestui fapt, am putea măsura tensiunea dintre celule folosind un multimetru.

Chiuveta de curent din acest experiment ar fi putut fi supraîncărcată din cauza curentului nominal al celulei de 120 A. Limitând amploarea evaluării noastre, am monitorizat creșterea temperaturii la descărcarea de 15 C.

Acest lucru a arătat că nu este potrivit să se testeze celulele dintr-o dată la rata nominală de descărcare continuă de 30 C (70 A).

Există dovezi substanțiale că o temperatură a suprafeței celulei de 65 ° C în timpul descărcării este limita superioară pentru siguranță. Deci, am construit programul de descărcare rezultat.

În primul rând, la 69 A (30 C) celulele sunt descărcate timp de 16 secunde. Apoi, a fost urmată de alternarea intervalelor de „recuperare” de 11,5 A (5 C) timp de o jumătate de minut.

După aceea, au existat impulsuri de 10 secunde la 69 A. În cele din urmă, când s-a atins fie tensiunea minimă de descărcare, fie temperatura maximă permisă, descărcarea a fost terminată. Figura 4 prezintă rezultatele obținute.

De-a lungul intervalelor mari de încărcare, tensiunea terminală a scăzut rapid, reprezentând faptul că ionii de litiu din interiorul celulelor au mișcare limitată și lentă.

Totuși, celula se îmbunătățește rapid în intervalele de sarcină redusă. Deși tensiunea scade încet pe măsură ce celula este descărcată, este posibil să găsiți căderi de tensiune considerabil mai puțin precise de sarcinile mai mari, pe măsură ce temperatura celulei crește.

Acest lucru validează modul în care temperatura este dependentă de rezistența internă a celulei.

Am înregistrat o rezistență internă la DC de aproximativ 11 mΩ (foaia tehnică prezintă 10 mΩ) când celula este pe jumătate descărcată.

Când celula sa descărcat complet, temperatura a crescut la 63 ° C, ceea ce o expune la riscuri de siguranță. Acest lucru se datorează faptului că nu există o răcire suplimentară pentru celule, astfel că am încetat să trecem la testarea cu impulsuri cu sarcină mare mai lungi.

Bateria a dat o putere de 2320 mAh în acest test, care a fost mai mare decât capacitatea nominală.

Cu o diferență maximă între tensiunile celulei la 10 mV, potrivirea dintre ele a fost remarcabilă pe tot parcursul testului.

Descărcarea la sarcină maximă a fost oprită când tensiunea terminală a atins 1 V per celulă.

Un minut mai târziu, am văzut o recuperare a tensiunii în circuit deschis de 2,74 V peste fiecare celulă.

Test de încărcare rapidă

Testele de încărcare rapidă au fost efectuate la 4 C (9,2 A) fără a încorpora un echilibru electronic, dar am verificat constant tensiunile individuale ale celulei.

Atunci când se utilizează baterii plumb-acid , putem seta curentul de încărcare inițial numai din cauza tensiunii maxime și limitate livrate de încărcător.

De asemenea, curentul de încărcare poate fi setat numai după ce tensiunea celulei a crescut până la un punct în care curentul de încărcare începe să se reducă (curent constant / încărcare constantă a tensiunii).

În experimentul nostru cu LiFePO₄, acest lucru se întâmplă după 10 minute în care durata este redusă de efectul șuntului în contor.

Știm că celula este încărcată la 97% sau mai mult din capacitatea sa nominală după ce au trecut 20 de minute.

Mai mult, curentul de încărcare în această etapă a scăzut la 0,5 A. Ca urmare, o stare „completă” a celulelor va fi raportată de către un încărcător rapid .

De-a lungul procesului de încărcare rapidă, tensiunile celulei s-au mișcat uneori puțin unele de altele, dar nu dincolo de 20 mV.

Dar, pentru ansamblul procesului, celulele au terminat de încărcat în același timp.

Când experimentează o încărcare rapidă, celulele tind să se încălzească destul de mult, temperatura rămânând într-o oarecare măsură curentul de încărcare.

Acest lucru poate fi atribuit pierderilor din rezistența internă a celulelor.

Este fundamental să respectați măsurile de siguranță atunci când încărcați LiFePO₄și nu dincolo de tensiunea sa de încărcare sugerată de 3,6 V.

Am încercat să ne strecurăm puțin și am încercat să „supraîncărcăm” celulele cu o tensiune terminală de 7,8 V (3,9 V pe celulă).

Nu este deloc recomandat să repeti asta acasă.

Deși nu a existat un comportament ciudat, cum ar fi fumatul sau scurgerile, iar tensiunile celulei au fost, de asemenea, aproape egale, dar rezultatul general nu pare să fie prea benefic.

• Descărcarea de 3 C a furnizat încă 100 mAh și tensiunea medie de descărcare a fost relativ mai mare.
• Ceea ce vrem să spunem este că supraîncărcarea provoacă o mică creștere a densității energiei de la 103,6 Wh / kg la 104,6 Wh / kg.
• Cu toate acestea, nu merită să suportăm riscurile și, eventual, să supunem viața celulelor la daune permanente.

Chimia bateriei și evaluări

Conceptul de aplicare a FePO₄nanotehnologia împreună cu o baterie cu litiu chimică este de a ridica suprafața electrozilor peste care pot avea loc reacții.

Există spațiu pentru inovații viitoare în anodul de grafit (terminal negativ) pare tulbure, dar în ceea ce privește catodul, există progrese substanțiale.

La catod se utilizează compuși (de obicei oxizi) ai metalelor de tranziție pentru captarea ionilor. Metale precum manganul, cobaltul și nichelul care sunt utilizate de catoduri au fost în producție de masă.

Mai mult, fiecare dintre ele are argumentele pro și contra. Producătorul a optat pentru fier, în special fosfatul de fier (FePO4) în care a descoperit un material catodic care chiar și la tensiuni mai mici este suficient de funcțional pentru a rezista la o capacitate extremă a bateriei.

În primul rând, bateriile Li-Ion sunt stabile din punct de vedere chimic numai într-un interval mic de tensiune de 2,3 V până la 4,3 V. La ambele capete ale acestui interval sunt necesare anumite conciliere pentru termenii de viață. Practic, o limită superioară de 4,2 V este considerată acceptabilă, în timp ce 4,1 V este recomandat pentru o durată de viață prelungită.

Baterii convenționale litiu care sunt alcătuite din mai multe celule conectate în serie rămâneți în limitele de tensiune prin suplimente electronice cum ar fi echilibratoare , egalizatoare sau limitatoare precise de tensiune.

Complexitatea acestor circuite crește pe măsură ce cresc curenții de încărcare, rezultând pierderi suplimentare de putere. Pentru utilizatori, aceste dispozitive de încărcare nu sunt prea preferabile, deoarece preferă celulele care pot suporta descărcări profunde.

În plus, utilizatorii ar dori, de asemenea, o gamă largă de temperaturi și posibilitatea de încărcare rapidă. Toate acestea pun nano-tehnologia FePO₄bazat pe LiFePO₄celulele devin favorite în inovația bateriilor Li-Ion.

Concluzii preliminare

Datorită curbelor de tensiune de descărcare elaborate, care ancorează execuția aplicațiilor industriale cu curent ridicat, LiFePO₄sau FePO₄-celulele Li-Ion catodice sunt foarte de dorit.

Nu numai că au o densitate substanțial mai mare de energie decât celulele Li-Ion convenționale, ci și o densitate extrem de mare.

Combinația dintre rezistența internă scăzută și greutatea redusă este de bun augur pentru celulele de înlocuire, în funcție de nichel sau plumb în aplicații cu putere mare.

De obicei, celulele nu pot suporta descărcări continue la 30 C fără a experimenta o creștere periculoasă a temperaturii. Acest lucru este dezavantajos, deoarece nu ați dori ca o celulă de 2,3 Ah să se descarce la 70 A în doar două minute. În acest tip de aplicații, utilizatorul primește opțiuni mai largi decât celulele tradiționale cu litiu.

Pe de altă parte, există o cerere continuă de încărcare mai rapidă, mai ales dacă durata de încărcare poate fi redusă drastic. Probabil acesta este unul dintre motivele pentru care LiFePO₄este disponibil în burghiu profesional cu ciocan de 36 V (celule din seria 10).

Celulele cu litiu sunt cel mai bine utilizate în automobile hibride și ecologice. Folosind doar patru FePO₄celulele (13,2 V) dintr-un pachet de baterii produc o greutate cu 70% mai mică decât o baterie plumb-acid. Ciclul de viață îmbunătățit al produsului și energia semnificativ mai mare pe deasupra densităților de putere au susținut dezvoltarea vehicul hibrid tehnologie în mare parte la vehiculele cu emisii zero.