Specifikacije punjenja / pražnjenja baterije LiFePO4, Objašnjene prednosti

Iako Li-Ion i litij-polimer-elektrolitske baterije (LiPo) posjeduju neusporedivu gustoću energije, baterije na bazi litija skupo se proizvode i njima je potrebno pažljivo rukovati, uz oprezno punjenje.

Napredovanjem nanotehnologije, proces proizvodnje katodne elektrode za ove baterije zabilježio je značajno poboljšanje.

Proboj kroz LiFePO s velikim opterećenjem zasnovan na nanotehnologiji₄stanice su naprednije od tradicionalnih Li-ion ili Lipo stanica.

Naučimo više:

Što je LiFePO₄Baterija

Litij-željezna fosfatna baterija (LiFePO₄baterija) ili LFP baterija (litij ferofosfat), oblik je litij-ionska baterija koja zapošljava LiFePO₄kao katodni materijal (unutar baterija ova katoda čini pozitivnu elektrodu) i grafitna ugljična elektroda koja ima metalni nosač koji tvori anodu.

Gustoća energije LiFePO₄je manji u usporedbi s uobičajenom kemijom litij-kobalt-oksida (LiCoO 2), kao i manji radni napon.

Najvažnija negativna strana LiFePO-a₄je njegova smanjena električna vodljivost. Kao rezultat toga, svaki LiFePO₄katode u obzir su u stvarnosti LiFePO₄/ C.

Zbog jeftinijih troškova, minimalne toksičnosti, precizno određenih performansi, opsežne stabilnosti itd. LiFePO₄je postao popularan u brojnim aplikacijama na vozilima, stacionarnim aplikacijama na razmjerama, kao i u pretvaračima i pretvaračima.

Prednosti LiFePO₄Baterija

Stanice nano fosfata uzimaju prednosti tradicionalnih litijevih stanica i spajaju ih s prednostima spojeva na bazi nikla. Sve se to događa bez da iskusi nedostatke bilo koje strane.

Ovi idealni NiCd baterije imaju nekoliko pogodnosti poput:

• Sigurnost - Nisu zapaljivi pa nema potrebe za zaštitnim krugom.
• Robustan - Baterije imaju dug životni vijek i standardni način punjenja.
• Visoka tolerancija na velika opterećenja i brzo punjenje.
• Imaju konstantan napon pražnjenja (ravna krivulja pražnjenja).
• Visok napon ćelije i nisko samopražnjenje
• Vrhunska snaga i kompaktna gustoća energije

Razlika između LiFePO₄i Li-Ion baterija

Konvencionalne Li-ionske stanice opremljeni su minimalnim naponom od 3,6 V i naponom punjenja od 4,1 V. Kod oba proizvođača kod oba napona postoji razlika od 0,1 V. To je glavna razlika.

Nanofosfatne stanice imaju nominalni napon od 3,3 V i potisnuti nabijeni napon od 3,6 V. Normalni kapacitet od 2,3 Ah prilično je uobičajen kada se usporedi sa kapacitetom od 2,5 ili 2,6 Ah koji nude standardne Li-Ion stanice.

Izraženija je različitost u težini. Nanofosfatna ćelija teži samo 70 g, dok njen kolega, Sony ili Panasonic Li-Ion ćelija, ima težinu od 88 g, odnosno 93 g.

Glavni razlog tome prikazan je na slici 1. gdje je kućište napredne nanofosfatne stanice izrađeno od aluminija, a ne od čeličnog lima.

Uz to, ovo nosi još jednu prednost u odnosu na konvencionalne stanice, jer aluminij bolje poboljšava provođenje topline iz stanice.

Još jedan inovativni dizajn je kućište koje tvori pozitivni terminal stanice. Građena je tankim slojem feromagnetskog materijala koji tvori stvarne kontakte.

Specifikacije punjenja / pražnjenja i rad

Da biste spriječili prerano oštećenje baterije, preporučujemo primjenu najveće dopuštene struje / napona punjenja u slučaju da trebate provjeriti specifikacije iz tehničkog lista.

Naš mali eksperiment otkrio je svojstva promijenjene baterije. U svakom ciklusu punjenja / pražnjenja zabilježili smo pad kapaciteta od oko 1 mAh (0,005%) minimalnog kapaciteta.

U početku smo pokušali naplatiti svoj LiFePO₄ćelije na punih 1 C (2,3 A) i postavite vrijednost pražnjenja na 4 C (9,2A). Zapanjujuće je da tijekom punjenja nije došlo do povećanja temperature stanice. Međutim, tijekom pražnjenja temperatura je porasla s 21 ° C na 31 ° C.

Test ispuštanja za 10 C (23 A) dobro je prošao s zabilježenim porastom temperature stanice od 49 ° C. Jednom kada se napon ćelije smanjio na 4 V (izmjereno pod opterećenjem), baterija je pružala srednji napon pražnjenja (Um) od 5,68 V ili 2,84 V na svakoj ćeliji. Izračunata je gustoća energije od 94 Wh / kg.

U istom rasponu veličina, ćelija Sony 26650VT predstavlja veći srednji napon od 3,24 V pri pražnjenju od 10 C s nižom gustoćom energije od 89 Wh / kg.

To je niže od LiFePO₄gustoća stanice. Razlika se može pripisati smanjenoj masi stanice. Ali, LiFePO₄stanice imaju znatno niže performanse od LiPo stanica.

Potonje se često primjenjuje na modeliranje krugova i oni imaju srednji napon pražnjenja od 3,5 V ili više pri 10 C. Što se tiče gustoće energije, LiPo stanice imaju prednost i u rasponu između 120 Wh / kg i 170 Wh / kg .

U sljedećem smo ispitivanju u potpunosti napunili LiFePO₄stanice na 1 C i kasnije ih ohladi na -8 ° C. Slijedi pražnjenje na 10 C dogodilo se na sobnoj temperaturi koja je oko 23 ° C.

Površinska temperatura stanica povećala se nakon toga na 9 ° C. Ipak, unutarnja temperatura stanice morala je biti znatno niža iako njezino izravno mjerenje nije bilo moguće.

Na slici 2 možete vidjeti terminalni napon (crvena linija) ohlađenih stanica zaronjenih na početku. Kako je temperatura porasla, vratila se na istu razinu kao da se test provodi sa stanicama na sobnoj temperaturi.

Iznenađujuće je da je razlika u konačnoj temperaturi mala (47 ° C naspram 49 ° C). To je zato što unutarnji otpor stanica ovisi o temperaturi. To znači da kada su stanice hladne (niska temperatura), znatno se više energije rasipa iznutra.

Sljedeći se pregled odnosio na struju pražnjenja gdje se povećala na 15 C (34,5 A), a stanice su imale više od svog minimalnog kapaciteta jer je temperatura eskalirala na 53 ° C s 23 ° C.

Ispitivanje ekstremno trenutnog kapaciteta LiFePO₄Stanice

Pokazali smo vam jednostavnu konfiguraciju kruga na slici 3. Za mjerenje vršnih razina struje koristili smo krug niskog otpora.

Kombinacija otpora, uključujući 1 mΩ otpornik za ranžiranje, ugrađeni otpor odvodnika struje od 100 A i njegovih suradnika (otpori kabela i kontaktni otpori u MPX priključku).

Ekstremno nizak otpor spriječio je pražnjenje jednog punjenja da pređe više od 65 A.

Stoga smo pokušali delegirati mjerenja jake struje pomoću dvije ćelije u nizu kao prije. Zbog toga bismo mogli mjeriti napon između stanica pomoću multimetra.

Ponor struje u ovom eksperimentu mogao je biti preopterećen zbog nazivne struje stanice od 120 A. Ograničavanjem opsega naše procjene, pratili smo povišenje temperature pri pražnjenju od 15 C.

To je pokazalo da nije prikladno testirati stanice odjednom pri njihovoj nazivnoj brzini kontinuiranog pražnjenja od 30 C (70 A).

Postoje značajni dokazi da je temperatura površine stanice od 65 ° C tijekom pražnjenja gornja sigurnosna granica. Dakle, konstruirali smo rezultirajući raspored ispuštanja.

Prvo, na 69 A (30 C) stanice se prazne 16 sekundi. Zatim su slijedili naizmjenični intervali ‘oporavka’ od 11,5 A (5 C) tijekom pola minute.

Nakon toga bilo je 10-sekundnih impulsa na 69 A. Napokon, kada je postignut ili minimalni napon pražnjenja ili maksimalna dopuštena temperatura, pražnjenje je završilo. Slika 4 prikazuje dobivene rezultate.

Kroz intervale visokog opterećenja napon stezaljke je brzo padao, što predstavlja da su litijevi ioni unutar stanica ograničeni i usporavaju kretanje.

Ipak, stanica se brzo poboljšava tijekom intervala s malim opterećenjem. Iako napon polako pada kako se stanica prazni, možda ćete primijetiti znatno manje precizne padove napona zbog većih opterećenja, kako temperatura stanice raste.

Ovo potvrđuje kako temperatura ovisi o unutarnjem otporu stanice.

Zabilježili smo unutarnji otpor prema istosmjernoj struji od oko 11 mΩ (list s podacima predstavlja 10 mΩ) kada se ćelija napola isprazni.

Kad se stanica potpuno ispraznila, temperatura je porasla na 63 ° C, što je izlaže sigurnosnim rizicima. To je zato što za stanice nema dodatnog hlađenja, pa smo zato prestali s ispitivanjem s duljim impulsima velikog opterećenja.

Baterija je u ovom testu dala izlaz od 2320 mAh, što je bilo više od nominalnog kapaciteta.

Uz maksimalnu razliku između napona ćelije pri 10 mV, podudaranje između njih bilo je izvanredno tijekom ispitivanja.

Pražnjenje pri punom opterećenju zaustavljeno je kada je napon na priključku postigao 1 V po ćeliji.

Minutu kasnije, vidjeli smo oporavak napona otvorenog kruga od 2,74 V na svakoj od ćelija.

Test brzog punjenja

Ispitivanja brzog punjenja provedena su na 4 C (9,2 A) bez ugrađenog elektroničkog balansa, ali neprestano smo provjeravali napone pojedinih ćelija.

Prilikom korištenja olovne kiselinske baterije , početnu struju punjenja možemo postaviti samo zbog maksimalnog i ograničenog napona koji isporučuje punjač.

Također, struja punjenja može se postaviti tek nakon što se napon ćelije povisio do točke u kojoj se struja punjenja počinje smanjivati ​​(punjenje konstantne struje / konstantnog napona).

U našem eksperimentu s LiFePO₄, to se događa nakon 10 minuta kada se trajanje smanjuje učinkom skretnice u mjeraču.

Znamo da se stanica napuni na 97% ili više od svog nominalnog kapaciteta nakon što je prošlo 20 minuta.

Nadalje, struja naboja u ovoj fazi pala je na 0,5 A. Kao rezultat toga, 'puno' stanje stanica izvijestit će brzi punjač .

Kroz proces brzog punjenja, napon ćelije ponekad se pomalo pomicao, ali ne preko 20 mV.

Ali za cjelokupni postupak, stanice su istodobno završile punjenje.

Kada se iskusi brzo punjenje, stanice se imaju tendenciju prilično se zagrijati, pri čemu temperatura donekle zaostaje za strujom punjenja.

To se može pripisati gubicima u unutarnjem otporu stanica.

Pri punjenju LiFePO temeljito je poštivati ​​sigurnosne mjere₄a ne preko preporučenog napona punjenja od 3,6 V.

Pokušali smo se malo prošuljati i pokušali smo ćelije 'pretjerano napuniti' terminalnim naponom od 7,8 V (3,9 V po ćeliji).

Uopće se ne preporučuje da se to ponavlja kod kuće.

Iako nije bilo neobičnog ponašanja poput pušenja ili curenja, a naponi u ćelijama također su bili gotovo jednaki, ali čini se da ukupni ishod nije previše koristan.

• Pražnjenje od 3 C osiguralo je dodatnih 100 mAh, a srednji napon pražnjenja bio je relativno veći.
• Ono što želimo reći je da prekomjerno punjenje uzrokuje mali pomak u gustoći energije od 103,6 Wh / kg do 104,6 Wh / kg.
• Međutim, ne vrijedi podnositi rizike i možda podvrgnuti život stanica trajnim oštećenjima.

Kemija baterija i procjene

Koncept primjene FePO₄nanotehnologija, zajedno s kemijom litijeve baterije, podiže površinu elektroda nad kojima se mogu odvijati reakcije.

Prostor za buduće inovacije u grafitnoj anodi (negativni terminal) izgleda mutno, ali u pogledu katode postoji značajan napredak.

Na katodi se za hvatanje iona koriste spojevi (obično oksidi) prijelaznih metala. Metali poput mangana, kobalta i nikla koje katode koriste su u masovnoj proizvodnji.

Štoviše, svaki od njih ima svoje prednosti i nedostatke. Proizvođač se odlučio za željezo, posebno željezni fosfat (FePO4) u kojem su otkrili katodni materijal koji je i kod nižih napona dovoljno funkcionalan da izdrži ekstremni kapacitet baterije.

Prvenstveno, Li-Ion baterije su kemijski stabilne samo u malom rasponu napona od 2,3 V do 4,3 V. Na oba kraja tog raspona potrebno je izmirenje za trajanje vijeka trajanja. Praktično se gornja granica od 4,2 V smatra prihvatljivom, dok se 4,1 V preporučuje za dulji životni vijek.

Uobičajene litijeve baterije od kojih se sastoje nekoliko ćelija povezanih u nizu ostanite u granicama napona putem elektroničkih dodataka poput balanseri , izjednačivači ili precizni graničnici napona.

Složenost ovih krugova raste kako se povećavaju struje naboja što rezultira dodatnim gubicima snage. Za korisnike ovi uređaji za punjenje nisu previše poželjni jer bi radije voljeli stanice koje mogu izdržati duboko pražnjenje.

Nadalje, korisnici bi također željeli širok raspon temperatura i mogućnost brzog punjenja. Sve to stavlja nano-tehnologiju FePO₄sa sjedištem LiFePO₄stanice postaju omiljene u inovaciji Li-Ion baterija.

Preliminarni zaključci

Zbog svojih izrazito ravnih krivulja napona pražnjenja koje usidruju izvršavanje visokostrujnih industrijskih aplikacija, LiFePO₄ili FePO₄-katodne Li-Ion stanice su vrlo poželjne.

Ne samo da imaju znatno veću gustoću energije od konvencionalnih Li-Ion stanica, već i izuzetno veliku gustoću energije.

Kombinacija malog unutarnjeg otpora i male težine nagovještava zamjenske stanice, ovisno o niklu ili olovu u primjenama velike snage.

Stanice obično ne mogu podnijeti kontinuirano pražnjenje na 30 C, a da ne dožive opasan porast temperature. To je nepovoljno jer ne biste željeli da se ćelija od 2,3 Ah isprazni na 70 A za samo dvije minute. U ovoj vrsti aplikacija korisnik dobiva šire mogućnosti od tradicionalnih litijevih stanica.

S druge strane, kontinuirano postoji potreba za bržim punjenjem, posebno ako se trajanje punjenja može drastično smanjiti. Vjerojatno je to jedan od razloga zašto je LiFePO₄stanice dostupan je u profesionalnim bušilicama s čekićima od 36 V (ćelije od 10 serija).

Litijeve stanice najbolje je primijeniti u hibridnim i ekološki prihvatljivim automobilima. Koristeći samo četiri FePO₄stanice (13,2 V) u bateriji daju 70% manju težinu od olovne kiseline. Poboljšani životni ciklus proizvoda i znatno veća energija povrh gustoće snage podržali su razvoj hibridno vozilo tehnologija uglavnom u vozilima s nula emisija.